【摘要】：隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的加速，城市規(guī)模和人口逐年增加，城市也面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的大氣環(huán)境問(wèn)題。大量機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)廢氣等有害氣體排放導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染，緊急事故有毒氣體泄露對(duì)城市居民安全造成嚴(yán)重的潛在威脅。為了評(píng)估城市街區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍，建立緊急事故人員疏散預(yù)案，進(jìn)一步達(dá)到控制污染的目的，必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜城市街道中大氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散過(guò)程。本文采用數(shù)值模擬方法研究城市大氣微環(huán)境問(wèn)題，取得了如下主要研究成果： (1)建立了實(shí)際城市小區(qū)大氣微環(huán)境大渦數(shù)值模擬系統(tǒng)。本文基于高精度有限體積大渦模擬求解速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)：采用Lagrange動(dòng)力模式封閉亞格子應(yīng)力，引入太陽(yáng)輻射、地表?yè)Q熱和浮力效應(yīng)等復(fù)雜物理過(guò)程，采用浸沒(méi)邊界法精細(xì)分辨重點(diǎn)關(guān)心區(qū)域建筑和街道，并利用阻力元法處理非重點(diǎn)關(guān)心區(qū)域建筑群，建立了基于分區(qū)并行的大渦數(shù)值模擬系統(tǒng)。 (2)應(yīng)用所建立的微尺度大渦模擬系統(tǒng)研究了澳門(mén)荷蘭園小區(qū)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和交通污染濃度場(chǎng)日變化過(guò)程，模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)符合良好，并分析了大氣浮力效應(yīng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響。發(fā)現(xiàn)與中性大氣狀態(tài)相比，不穩(wěn)定狀態(tài)下浮力效應(yīng)加強(qiáng)近地面垂直方向大氣對(duì)流作用和街區(qū)內(nèi)湍流強(qiáng)度以及街區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散；穩(wěn)定狀態(tài)下浮力效應(yīng)減弱近地面垂直方向?qū)α饕约敖謪^(qū)內(nèi)湍流強(qiáng)度。 (3)本文提出了多尺度耦合大渦模擬方法，即采用中尺度氣象預(yù)報(bào)模式模擬城市區(qū)域尺度大氣流動(dòng)，微尺度大渦模擬采用中尺度模式計(jì)算結(jié)果作為側(cè)向非定常速度和溫度邊界條件，精細(xì)模擬實(shí)際城市小區(qū)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和污染物擴(kuò)散過(guò)程。本文采用典型算例考核了多尺度耦合方法的可行性與準(zhǔn)確性，并用這種方法研究了北京寶聯(lián)小區(qū)交通污染擴(kuò)散問(wèn)題，獲得了與觀測(cè)數(shù)據(jù)符合良好的結(jié)果。分析了中尺度大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)微尺度運(yùn)動(dòng)的影響，考核了多尺度耦合方法的效果，并進(jìn)一步分析了街區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)特征。 總之，本文建立的多尺度耦合大渦數(shù)值模擬系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜城市小區(qū)大氣環(huán)境具有較強(qiáng)的模擬能力，在城市大氣環(huán)境評(píng)估、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和安全事故預(yù)案等方面具有良好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X16
【圖文】：

第 1 章 引言3圖1.1 城市大氣環(huán)境問(wèn)題尺度劃分城市區(qū)域尺度空間范圍跨度約數(shù)百公里，中尺度氣象預(yù)報(bào)模式(如WRF,MM5,ARPS 等）是研究城市區(qū)域尺度大氣環(huán)境問(wèn)題的主要方法。中尺度氣象模式通常采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑尺度的網(wǎng)格分辨率，采用粗糙度等參數(shù)化方法處理下墊面的建筑。目前中尺度模式可以較好模擬整個(gè)城市區(qū)域的天氣變化，但是不能獲得街區(qū)內(nèi)部細(xì)致的流動(dòng)信息。城市小區(qū)尺度空間范圍約數(shù)公里量級(jí)，精細(xì)分辨建筑的 CFD(Computational Fluid Dynamics)模式是主要研究手段，可以獲得多個(gè)街道內(nèi)部的細(xì)致流動(dòng)信息，特點(diǎn)是網(wǎng)格分辨率高，計(jì)算量大。街區(qū)尺度空間范圍約百米量級(jí)，單個(gè)街區(qū)內(nèi)的流動(dòng)和污染物擴(kuò)散是主要關(guān)心問(wèn)題，CFD 模式也是主要研究手段。由于居民生活工作和城市有害氣體排放都主要在城市街道內(nèi)部發(fā)生

限體積法的基本原理是在有限體積單元上求解積分形式的流體運(yùn)動(dòng)控制方程組，下面簡(jiǎn)要介紹本文采用的有限體積法離散格式。圖2.1 有限體積單元和離散網(wǎng)格示意圖如圖 2.1 所示，P 點(diǎn)表示該控制體的中心位置，并按照方位將位于其東、西、北、南、上、下的相鄰節(jié)點(diǎn)記作 E、W、N、S、T、B。體積元的六個(gè)控制面用小寫(xiě)字母表示，分別稱為東面 e、西面 w、北面 n、南面 s、上面 t、下面 b。由于采用非交錯(cuò)網(wǎng)格，所有流動(dòng)變量(速度，濃度，溫度和壓力)均勻存儲(chǔ)在網(wǎng)格中心點(diǎn)。對(duì)大渦模擬方程組在 P 點(diǎn)所示體積元上積分得到如下離散形式：( ) ( ) ( ) 0e w n s t bC C y z + C C x z + C C x y = (2-7)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2730354