力學(xué)大會(huì)2015集現(xiàn)代城區(qū)流動(dòng)及點(diǎn)污染物擴(kuò)散大渦模擬研究

*，*，*，*（航天航空學(xué)院,現(xiàn)組為地現(xiàn)為恐怖目標(biāo)文以）心業(yè)為擬型季天大，B風(fēng)場(chǎng)和擴(kuò)過(guò)值vr-ua大模組應(yīng)動(dòng)Larne關(guān)溫主由射定而氣度要對(duì)換決研風(fēng)和污物度的散風(fēng)層轉(zhuǎn)明顯對(duì)擴(kuò)寬對(duì)引當(dāng)前國(guó)內(nèi)的速度逐漸加快城市規(guī)模不斷擴(kuò)大城市人口也不斷增加逐漸的城市大氣環(huán)境對(duì)人類的生存環(huán)境和人類健康造成了巨大的為了改善城市空氣質(zhì)量，應(yīng)對(duì)和解決上述環(huán)境問(wèn)題須正確地認(rèn)識(shí)城市大氣流動(dòng)熱環(huán)境和染物擴(kuò)散過(guò)程[12]墊面的多樣動(dòng)過(guò)程復(fù)雜還沒(méi)有得到充分地認(rèn)識(shí)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的環(huán)境流體力學(xué)提了一種研究城市大氣環(huán)境的理性[34]正越來(lái)越多地被氣象學(xué)界與環(huán)境領(lǐng)域的專環(huán)境流體力學(xué)對(duì)城市大氣環(huán)境研究的主要貢獻(xiàn)包括：一通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算的增進(jìn)對(duì)城市大氣運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)[5]分析基本流動(dòng)和擴(kuò)散過(guò)對(duì)重要的影響因素進(jìn)行參數(shù)化[67]類降階層模型[8]，污染物快速預(yù)測(cè)模型[9]應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題[10]認(rèn)識(shí)城市大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程是發(fā)展降階模型的基礎(chǔ)。檢驗(yàn)簡(jiǎn)單建筑群所得規(guī)律的有效工具。實(shí)際城市中的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)比較，獲取小區(qū)冠層內(nèi)外完整時(shí)空分布的數(shù)據(jù)尤其。風(fēng)洞和水洞實(shí)驗(yàn)又很難模擬真實(shí)的輻射條件。數(shù)值模擬提供建筑高、建筑幾何非均勻度大、地表水汽通量小的特點(diǎn)。作為地標(biāo) 本文以國(guó)貿(mào)附近的中心商業(yè)區(qū)（CBD）為例，研究現(xiàn)代城區(qū)的動(dòng)力、熱力特性和污染和空氣溫度分布與輻射和對(duì)流換熱之間的關(guān)系。最后討論污染物在復(fù)雜下墊面中的擴(kuò)散染物作為標(biāo)量處理，滿足標(biāo)量輸運(yùn)方程 1

ii i 0gδi j x c

j

x

x

jx

其中方程

解尺度的濃度和溫度D和κ分別為分子質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)Sc和Sθ分別是污染源和熱fi為附加力。在溫度控制方程中，θ0為參考溫度，并采用Boussinesq假設(shè)計(jì)算由溫差引起的浮力。在方程(2)中,τijuiujuiuj為亞格子應(yīng)力，在方程(3)和(4)中，τcjcujcu τ2νS1τ t 3kk

νSc

νt jτ jτ 其中νtC22|S|是常用的Smagorinsky亞網(wǎng)格渦粘系數(shù)， ssSuixujx2是可解尺度速度變形率張|S|2SS)1/2；Sct為ss ij文計(jì)算取大氣標(biāo)量湍流模擬中常用值0.72。采用Meneveauetal(1996)[18]沿質(zhì)點(diǎn)軌跡平均的方法動(dòng)態(tài)確定模式系數(shù)，即Lagrange動(dòng)力模式圖1給出了本文中所用實(shí)際為使模型更接近真實(shí)大小高度據(jù)國(guó)貿(mào)附近東大橋路和東路之間的中心商業(yè)區(qū)（）簡(jiǎn)到小區(qū)東西方向長(zhǎng)600m寬660m間馬東南角有一個(gè)小公園，西南角有一塊h82m140m標(biāo)準(zhǔn)差為47.8m，相當(dāng)于0.58h積比p0.243東西方向的迎風(fēng)面積比f(wàn),ew0.447比f(wàn),ns0.522變風(fēng)面積圖2給出了計(jì)算域的三維示意圖類型實(shí)際城區(qū)的流動(dòng)和污染物擴(kuò)擬位于充分發(fā)展湍流邊界層中的現(xiàn)代城市小區(qū)環(huán)為了使來(lái)流風(fēng)場(chǎng)盡量發(fā)展時(shí)也是為了節(jié)省計(jì)墊面采用組計(jì)算域的中間（圖2（）分布如圖1）采用密網(wǎng)格精細(xì)滿這采用阻力元模型來(lái)模擬建筑群對(duì)風(fēng)場(chǎng)為：在建筑平均高度以下，阻力以均勻分布的體積fi的形式加到動(dòng)fUi

cLc

是阻力特征長(zhǎng)度，α是冠層內(nèi)建筑體積占比，幾何參數(shù)λf和α通過(guò)圖1實(shí)際城區(qū)建筑群統(tǒng)計(jì)得到。Cd是阻力系數(shù)，Belcher等人[19]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建議Cd取3.2。組合模型被成功應(yīng)用于城 圖2現(xiàn)代城區(qū)模型計(jì)算域和網(wǎng)格((a)計(jì)算域;(b)網(wǎng)格300m。B1B4分別對(duì)應(yīng)西面、南面、東面、北面邊分發(fā)展的湍流邊界層中，要求來(lái)流為充分發(fā)展的湍流。為此，首先通過(guò)流向和展向采用周 出口條件：出口采用無(wú)反射條件，即對(duì)任意的物理量?，出口法向?yàn)閚tVnn。溫度邊界條件：處的溫度根據(jù)如下的對(duì)數(shù)分布表達(dá)式確 w,0 0,θ,zz w,0 0,θ,z lnLdln zh;zf308K為頂部自由流風(fēng)溫，w,0為 的經(jīng)驗(yàn)確定，即：ln

025 (11)其中粗糙雷諾數(shù)

z01dexp0.5CD1d

05 h

2 λf h β0.55C1.2dh1Aλpλ1A4.43。地面和建筑物表面的溫度根據(jù)1.3節(jié) RniHiGi

ρCik

1 i i i,ki,k 其中d為每一層的厚度，λ為熱導(dǎo)Gk,k1i為第k層和第k+1層間的熱Ci為質(zhì)量熱容。外墻面的邊界條件G0,1iGi由前述能量平衡方程計(jì)算得到，內(nèi)墻面的邊界條件為定之間的角系數(shù)Vij，計(jì)算各個(gè)面間的平均輻射強(qiáng)度。對(duì)于均勻分布的建筑群，角系數(shù)Vi,jR0.8kScos，其中為墻面法向量與光線夾角,S1353WmR0.8kScos，其中為墻面法向量與光線夾角,S1353Wm 0 日在（東經(jīng)136o32，北緯34o34）進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中模型建筑群由高3.6m3.6m1.5m，將圖2中的小區(qū)替換成88個(gè)立方體，幾何形狀和分布與Kanda實(shí)驗(yàn)相同。 均風(fēng)溫為20℃，水泥熱導(dǎo)率0.5Wm1K1，吸收率0.98，體積熱容2.48106Jm3K。圖3在六個(gè)面上與實(shí)驗(yàn)比較了凈輻射通量感熱通量?jī)?chǔ)熱通量和壁面溫度考慮到表面能量平衡關(guān)系中的各項(xiàng)都比較復(fù)雜涉及很多假設(shè)圖3的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本相符相對(duì)于凈輻射和溫度感熱和儲(chǔ)熱與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較多精計(jì)算表面熱流是很多工程領(lǐng)域 的難題溫度最高的是南側(cè)墻面為在北半球中緯度的秋季，高度角比較低中午時(shí) 側(cè)墻面法向的夾角為o與屋頂法向的夾為2o南側(cè)墻面受到的輻射強(qiáng)。 圖3表面能量平衡模型與Kanda場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)比較((a)凈輻射;(b)感熱;(c)儲(chǔ)熱;(d)溫度研究強(qiáng)非穩(wěn)定條件下的流動(dòng)，選取夏季晴天中午12點(diǎn)作為輻射條件，直射北緯20o（位于北緯40o），來(lái)流的外流風(fēng)速Uf2.5m/s，外流風(fēng)溫為35oC內(nèi)溫度取25oC，土壤溫度取20oC。為研究風(fēng)向的影響，分別計(jì)算了西風(fēng)、南風(fēng)和西南三個(gè)不同來(lái)流風(fēng)向的算例；為研究浮力的影響，西風(fēng)和南況下還計(jì)算了中性條件的對(duì)照為研究復(fù)雜非均勻冠層中的污染物近場(chǎng)擴(kuò)散過(guò)程以及浮力和風(fēng)向?qū)U(kuò)散過(guò)x165my180m處強(qiáng)度為q的近地點(diǎn)污污染源離地2m源位置的南北方向各有兩棟140m的建筑點(diǎn)源位于一個(gè)東西的街區(qū)峽谷中峽谷長(zhǎng)160m，約為2:1圖4給出了三個(gè)風(fēng)向算點(diǎn)源附近的平均速度矢量在近地面和垂直平面上的分布在西風(fēng)和西南風(fēng)算例中近地面空氣基本都沿著街區(qū)自西向東流動(dòng)在南風(fēng)算間的狹窄通道處近地風(fēng)速比較側(cè)有明顯分離渦風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦（自西向東看）。二維街區(qū)峽谷和簡(jiǎn)單三維建筑群的研究結(jié)果表明，當(dāng)外流風(fēng)速與街區(qū)不一致時(shí)，平行峽谷分量u形成峽谷方向的質(zhì)量輸運(yùn)[24]（峽谷效應(yīng)），垂直峽谷分量u形成漩渦混合[25]，從而使 圖4點(diǎn)源附近近地面和垂直平面上的速度矢量((a)西風(fēng)(b)南風(fēng)c)西南風(fēng)-5o的偏轉(zhuǎn)；南風(fēng)算例在大部分范圍內(nèi)沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，只在冠層底部有近-20o偏轉(zhuǎn)；西南風(fēng)算例在冠層內(nèi)約有+10o偏轉(zhuǎn)，在近地層有+25o偏轉(zhuǎn)。可見(jiàn)冠層內(nèi)的風(fēng)向總體還是和外流風(fēng)向一致，在不同的外流條件下冠層內(nèi)風(fēng)向差別明顯，但在西風(fēng)和西南風(fēng)之間，冠層內(nèi)風(fēng)向夾角只有30o，冠層底部甚至只有15o。由于污染物的平均流輸運(yùn)和湍流擴(kuò)散都依賴流場(chǎng)，可以預(yù)見(jiàn)西風(fēng)和場(chǎng)，外流風(fēng)速與街區(qū)夾角40o時(shí)，冠層底部的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角也能達(dá)到40o。相比之下，本文

圖5冠層內(nèi)風(fēng)向相對(duì)主流風(fēng)向的平均偏轉(zhuǎn)圖6給出了西風(fēng)條件下地面上時(shí)間平均溫度的分布情況，地面溫度跨度可達(dá)30oC，顯著非均勻。在夏季晴天的中午，外流35oC的條件下，陰影區(qū)（圖中藍(lán)域）的溫度約為30oC，而受照射區(qū)域的溫度普遍都在50oC以上，局部區(qū)域甚至可達(dá)60oC以上。雖然受照?qǐng)D6西風(fēng)圖7給出了西風(fēng)條件下南側(cè)墻面、西側(cè)墻面和屋頂時(shí)間平均溫度的分布情況。除去部分向的夾角為20o，與南側(cè)墻面法向的夾角為70o，前者輻射更強(qiáng)。比較不同建筑可以看到，高建 圖7西風(fēng)條件下墻面平均溫度分布（(a)全小區(qū)；(b)局部放大 圖8各壁面平均溫度和溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果（(a)溫度；(b)溫度標(biāo)準(zhǔn)差考慮到各壁面的時(shí)間平均溫度在面上分布不均勻，分別統(tǒng)計(jì)的面平均值和各個(gè)面上變化的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖8所示。地面和屋頂?shù)妮椛渥顝?qiáng)，因?yàn)榈孛鎿Q熱差，感熱通量小，所以溫度最高，平均溫度可達(dá)51oC，屋頂次之，約為47oC。南側(cè)墻面的平均溫度約為43oC。北側(cè)墻面、東側(cè)墻面和西側(cè)墻面都不受陽(yáng)光直射，溫度較低，都在40oC以下。北側(cè)墻面因?yàn)槭苣蟼?cè)墻面的反射，溫度比東、西墻面高。比較不同風(fēng)向情況，南風(fēng)較西風(fēng)和西南風(fēng)略高1.5oC通量接近，因此溫度分布接近。對(duì)于壁面溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)差，地面和屋頂分別能達(dá)到10oC和8oC，這主要是因?yàn)殛幱皡^(qū)的影響，而在沒(méi)有陽(yáng)光直射的東、西、北側(cè)墻面，溫度的變化約為1oC，這是空氣換熱效率不同所能引起的壁面溫度變化水平。由此可見(jiàn)，壁面溫度主要還 圖9西風(fēng)算例空氣平均溫度和二維流線在水平面上的分布（(a)z=2m；(b)進(jìn)一步討論空氣溫度分布。圖11給出了西風(fēng)條件下空氣的時(shí)間平均溫度和二維流線在近地（z2m）和平均高度（z80m）動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜處流線偏離主流方向而在平均高度處流線基本與主流一致在大的建筑后方都存在明顯的分離區(qū)熱通量是其控制方程中的源項(xiàng)對(duì)流和擴(kuò)散引起空氣內(nèi)部的輸圖9的結(jié)墻面中南側(cè)墻風(fēng)面的分離區(qū)和被密集建筑包圍這一現(xiàn)象在0m高度處更加明顯縛渦場(chǎng)的熱渦區(qū)也是低湍動(dòng)動(dòng)動(dòng)引起的熱風(fēng)和西南風(fēng)算例給結(jié)雖然不同風(fēng)向下的流線風(fēng)面的分離渦明空氣溫度主要由空氣換熱效率決定。染物濃度。以下討論浮力對(duì)點(diǎn)源擴(kuò)散過(guò)程的影響。在各算例間，外流風(fēng)速Uf相同，用外流風(fēng)速C*

fqf

、物質(zhì)泄漏等問(wèn)題，需要知道物質(zhì)的擴(kuò)散范圍，以確定需要疏散的區(qū)域。圖10給出了西風(fēng)條件下污染物濃度C*1的等值面，并對(duì)中性和非穩(wěn)定結(jié)果進(jìn)行了比。C*可以理解為臨界濃度，C*的等