PM2.5时刻和垂直变化规律及其影响因素的实测和模拟研究

摘要

近年来，中国的雾霾天气频发，覆盖范围也越来越大。有研究表明，PM2.5和雾霾天气的形成有密切的关系。PM2.5粒径很小，可以直接进入细支气管和肺泡,对人体健康构成很大的威胁。另外，人们对于绿色健康的居住、工作和出行环境的需求又日益强烈。因此，有必要对PM2.5的变化规律进行深入研究。本文使用实测和数值模拟相结合的方法，对PM2.5质量浓度的时刻和垂直变化规律及其影响因素进行研究。实测在天津市某高层建筑进行，数值模拟使用CFD软件FLUENT。由于实测条件的限制，此次研究针对8:00-20:00的时间范围和1-28层的高度范围。研究结果表明: PM2.5质量浓度的时刻变化规律及其影响因素: ①PM2.5时刻变化规律拟合方程为y=0.0873x3-1.3129x2+2.2467x+102.07，上午和晚上的浓度值大于下午，其中8:00最大，17:00最小。 ②PM2.5时刻变化规律与楼层高度基本无关。 ③东向和南向时刻变化规律为“上升-下降-上升”，西向和北向为“下降-上升”。 ④PM2.5时刻变化规律与气温变化和早晚高峰密切相关。 PM2.5质量浓度的垂直变化规律及其影响因素: ①PM2.5垂直变化规律呈双峰双谷型，峰值在11和22层，谷值在6和16层，PM2.5在垂直方向呈现每10层的周期性变化。 ②PM2.5垂直分布规律在不同朝向、时刻、污染程度下均呈现一致性。其中，PM2.5朝向分布与天津市的主导风向和测试季节风呈现正相关。PM2.5平均变化幅度与PM2.5污染程度呈负相关，与交通的早晚高峰也相关。 ③在风的带动下，颗粒物沿壁面形成爬墙效应，增大风速有利于PM2.5扩散。 ④随着污染源强度的增大，PM2.5更容易往建筑物下部聚积。 ⑤在一定的距离范围内，增大污染源在水平方向上和建筑物的距离，建筑物表面整体的PM2.5污染水平会加重。 ⑥增大建筑物的宽度，有利于降低PM2.5污染水平。 本文的研究内容可以指导人们选择在什么样的楼层居住和工作环境状况最好。对于像医院和养老院这样的特殊场合，可以帮助体弱多病和免疫力较低的人群，选择PM2.5污染较小的楼层居住和治疗。此外，还能对城市高层建筑的大气污染防控和治理工作起到积极的指导作用。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题的研究背景

1．1．2 PM2．5对人体健康的影响

1．2课题的研究意义

1．3国内外研究现状

1．3．2 PM2．5垂直变化规律的研究

1．4本文的研究内容

1．5本章小结

第二章仪器一致性对比及数据修正

2．1一致性对比实验方案

2．1．1实验地点

2．1．2实验仪器

2．1．3实验步骤

2．1．4实验注意事项

2．1．5数据处理

2．2各仪器线性回归分析

2．3各仪器数据修正

2．4本章小结

第三章PM2．5时刻和垂直变化规律及其影响因素的实测分析

3．1实测方案

3．1．1实测地点及周边环境

3．1．2采样点设置

3．1．3监测指标和频率

3．1．4监测仪器

3．1．5注意事项

3．1．6数据处理

3．2 PM2．5质量浓度时刻变化规律及其影响因素

3．2．2不同楼层高度对PM2．5质量浓度时刻变化规律的影响

3．2．3不同朝向对PM2．5质量浓度时刻变化规律的影响

3．2．4不同污染程度对PM2．5质量浓度时刻变化规律的影响

3．3 PM2．5质量浓度垂直变化规律及其影响因素

3．3．1 PM2．5质量浓度垂直变化规律

3．3．2不同朝向对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

3．3．3不同时刻对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

3．3．4不同污染程度对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

3．4本章小结

第四章计算流体力学理论基础与CFD软件简介

4．1流体流动的控制方程

4．1．1质量守恒方程

4．1．2动量守恒方程

4．1．3能量守恒方程

4．2控制方程的离散

4．2．1常用的离散化方法

4．2．2有限体积法的求解方法

4．3湍流模型的数值模拟

4．3．1直接数值模拟算法

4．3．2大涡模拟算法

4．3．3雷诺时均算法

4．4离散相模型

4．4．1离散相模型简介

4．4．2颗粒物的运动方程

4．5 CFD软件简介

4．5．1 ICEM CFD软件简介

4．5．2 FLUENT软件简介

4．6本章小结

第五章PM2．5质量浓度垂直变化规律及其影响因素的数值模拟

5．1 PM2．5污染源在建筑物表面扩散的数值模拟

5．1．1计算区域的建立与网格的划分

5．1．2计算模型与条件的设定

5．1．3模拟结果的分析

5．2 PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响因素的模拟与分析

5．2．1不同风速对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

5．2．2不同污染源强度对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

5．2．3不同污染源位置对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

5．2．4不同建筑形状对PM2．5质量浓度垂直变化规律的影响

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1论文主要结论

6．2课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目

致谢