高温高湿城市街区环境中大气颗粒物的输运研究

摘要

颗粒物是城市空气主要污染物之一。在城市生活环境中，极端高温天气是一种危害性较大的灾害性天气，空气温度改变导致城市水体蒸发率增大，即空气中水蒸气含量增大，使空气湿度发生变化，同时城市水体蒸发过程吸收空气热量，对周围环境温度起到调节作用。温度和湿度对颗粒物的扩散都有影响，因此，研究在高温高湿城市街区内颗粒物传输的规律和浓度分布特性，对预测颗粒物的污染有实际研究意义。
　　本文以二维理想滨水城市建筑群代表高温高湿的城市环境，将其作为研究对象。基于RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型，以机动车尾气排放的颗粒物作为污染源，湖水表面蒸发的水蒸气量作为空气湿度改变源，建立大气颗粒物在高湿环境中传输的数值计算模型。为了验证该计算模型的正确性和适用性，将得到的颗粒物浓度分布与国际标准Mock Urban Setting Trial实验(MUST)得到的监测数据进行比对，模拟结果与MUST实验结果相对误差在5％左右，曲线变化趋势一致。所以可采用此计算模型研究颗粒物在高温高湿环境中传输过程和环境因素（湿度、温度和风速）对其的影响。
　　采用Richardson数表征一天四个时刻环境温度的变化。研究结果表明:街道峡谷顶部上水蒸气质量分数在Ri=12.8时最大，在Ri=13.8时最小;但颗粒物浓度在Ri=16.8时最小，Ri=398时最大。随着速度越大时，水蒸气质量分数越小;但颗粒物浓度在u=2m/s时最大，在u=1m/s时最小，即风速越大，风流带进计算域内颗粒物越多，但流经计算域带走的颗粒物也越多。
　　根据已建立的数值模拟方法，以某城市滨水居民小区作为研究对象，研究了高温高湿城市街区内颗粒物浓度分布特征。结果表明:随着离湖面距离越远，高层建筑物迎风面20m以下的位置颗粒物聚集最多，30m以上的位置颗粒物浓度达到最小值为K=5.6×10-3;低层建筑物排列与湖面有夹角(65°)时，水蒸气质量分数和颗粒物浓度逐渐减小;低层建筑排列与湖面平行时，当没有建筑物阻碍时，颗粒物浓度逐渐减小，此时最大值K=6.72×10-2;当有建筑物阻碍时，颗粒物浓度比没有阻碍时最大值增大2.5×10-3。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 建筑物几何结构影响

1．2．2 风速影响

1．2．3 湿度影响

1．2．4 温度影响

1．3 课题研究内容及创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 创新点

第2章 高湿条件下大气颗粒物传输数值计算模型

2．1 数值模拟计算步骤

2．2 城市滨水建筑群的几何模型

2．3 二维理想模型的网格划分

2．4 数学物理模型

2．5 边界条件的设定

2．6 控制方程的离散

2．7 本章小结

第3章 城市街区大气颗粒物传输数值计算模型验证

3．1 颗粒物扩散模型验证

3．1．1 MUST实验

3．1．2 模拟结果及验证

3．2 水蒸气扩散模型验证

3．2．1 风洞实验

3．2．2 模拟结果及验证

3．3 本章小结

第4章 环境因素对城市街区中颗粒物扩散的影响

4．1 控制参数

4．2 湿度对街道峡谷内流场的影响分析

4．3 温度对城市街道峡谷内颗粒物扩散的影响分析

4．3．1 空气流场分析

4．3．2 水蒸气质量分数分析

4．3．3 颗粒物浓度场分析

4．4 速度对城市街道峡谷内颗粒物扩散的影响分析

4．4．1 空气流场分析

4．4．2 水蒸气质量分数分析

4．4．3 颗粒物浓度场分析

4．5 本章小结

第5章 城市滨水小区内颗粒物扩散的数值模拟

5．1 几何模型的建立

5．2 数学物理模型

5．3 计算边界条件

5．4 网格划分

5．5 数值模拟结果分析

5．5．1 空气流场的分析

5．5．2 颗粒物浓度场分析

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录