基于街谷模型的PM2.5扩散数值模拟研究

摘要

结合计算流体力学、大气环境科学和城市交通工程规划等学科，运用计算流体力学的流场数值模拟方法研究城市街道峡谷空腔内风场和机动车排放 PM2.5的扩散和分布情况。针对城市街道峡谷微尺度大气环境的研究，对于城市建设规划、道路交通控制以及城市空气质量控制等领域具有非常重要的借鉴意义。
　　运用标准k?ε湍流模型和空间组分输运模型相耦合的方法，研究不同类型街道峡谷内部大气流场和污染场的分布情况。应用有限体积法离散化流体控制微分方程，应用预估-校正方法求解流体控制代数方程组。对计算区域采用网格划分，将非结构化网格转化为结构化网格。结合气象学知识和流体力学，在保证计算精度前提下，对街谷模型来流边界，壁面边界和出流边界进行设置。
　　以理想型对称街谷模型为基础，考虑特殊几何结构因素对该模型进行推广，构建递升型和递减型街谷模型；考虑屋顶形状因素，而构建尖顶型和流线型屋顶街谷模型。主要结论：
　　(1)针对不同高宽比H W街道峡谷模型，对街道内部气流场和PM2.5浓度场进行模拟分析，当街道峡谷高宽比较大时，在窄峡谷内部垂直方向上出现两个方向相反，且湍流动能大小差异很大的两个涡旋。建筑物墙角是风速死角，形成较弱的次生涡旋，导致街道底部机动车排放的PM2.5扩散困难。
　　(2)针对不同屋顶结构（平顶、尖顶和流线型屋顶）的街道峡谷模型，对街道内气流场和PM2.5浓度场进行模拟分析，尖顶结构模型在屋檐上方较宽广区域产生一个湍动能较大的涡旋，然而能量逐级递减，街道底部的涡旋湍动能较小，对于内部污染物的输运扩散作用有限。流线型街道峡谷，更有利于来流风吹入街道底部输运和稀释污染物，PM2.5浓度最小。
　　(3)下风向建筑高于上风向时，更有利于污染物扩散。将各类型街道峡谷PM2.5的扩散水平由强到弱排序：递升型街谷>递减型街谷>对称型街谷。
　　街道峡谷地面源污染物扩散过程与街道建筑物的几何形状有很大关系，且污染物的分布和扩散规律主要依赖于风场的动量输运。上述结论可用于指导建立街道峡谷模式，改善城市道路大气环境质量。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 计算流体力学理论基础

2.1 引言

2.2 街道峡谷模型的定义

2.3 湍流数值模拟方法

2.4 流体控制方程

2.5 标准k?ε模型

2.6 组分输运模型

2.7 本章小结

第3章 数值模拟方法

3.1 离散方法

3.2 划分计算网格

3.3 定解条件

3.4 预估校正求解算法

3.5 本章小结

第4章 数值实验模拟及结果分析

4.1 街道峡谷模型

4.2 模型求解

4.3 模拟结果分析

4.4 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文