采用中小尺度耦合模型模拟城市街区污染物流场分布

论文摘要

城市环境下的大气污染物扩散由复杂建筑物结构周围的风场所控制。风的“下洗”和由于建筑物存在而导致的气流湍流度增加,不仅强烈影响平均风场,也影响到扩散参数。因为城市街区这种相对狭长的街道空间所具有的独特结构、特殊下垫面和微气候特征,所以导致了近地逆温层的形成,造成局地高浓度的大气污染,研究污染物在城市街区内的流场分布情况具有现实意义。本研究利用计算流体动力学软件Fluent,以陕西省安康市市区内某段城市街区为研究对象,建立物理模型与三维湍流模型,模拟出不同几何结构的城市街区在不同风速下街区内风场的气流流动情况,并以恶臭中主要成分之一——甲硫醇为主要污染源进行污染物扩散分布情况的模拟。模拟结果表明：速度梯度会在街区迎风面的建筑物外侧达到最大值；来流风的风速度大小和方向都会在建筑物拐角处产生分离并发生剧烈变化；狭窄街区内易形成漩涡；在建筑物群内,易形成较小的漩涡；通过流场分析,可以看到风的流动对污物扩散的影响。在狭窄型街区中,由于迎风面高大建筑物的阻挡影响,街区内存在的负压和大的涡旋都不利于污染物的排放。而在开阔型街区中,风对其中污染物扩散影响较小。因此在城市街区规划布局中应避免高大建筑物上风向处存在污染源,或避免在污染源的下风向建立狭窄型的街区。通过Fluent软件对街区内污染物流场分布情况进行模拟,以可视化的结果进行展示,反映了街区内整体风场分布和污染物浓度变化趋势,模拟结果对于研究城市街区内建筑布局、道路建设、交通规划和交通控制、污染控制等方面都具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 街区两侧建筑物周围气流特性的研究
• 1.2.2 城市街区内大气污染物扩散的研究
• 1.3 论文研究方法
• 1.4 论文研究的主要内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 FLUENT软件简介
• 2.1 Fluent程序结构
• 2.2 Fluent程序可以求解的问题
• 2.3 Fluent程序求解问题步骤
• 2.4 Fluent求解方法的选择
• 2.5 确定边界条件
• 第3章 流体流动控制方程
• 3.1 流体运动的基本特性
• 3.2 流动问题基本控制方程
• 3.2.1 质量守恒方程
• 3.2.2 流体的动量守恒方程
• 3.2.3 流体的能量守恒方程
• 3.3 三维湍流模型及在CFD中的应用
• 3.3.1 湍流的基本方程
• 3.3.2 湍流的数值模拟方法
• 3.3.3 标准κ-ε模型
• 3.3.4 近壁区处理
• 3.3.5 流体内组元输运问题
• 3.4 小结
• 第4章 城市街区内风场的数值模拟及分析
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 物理模型概述及简化
• 4.1.2 几何模型的建立及网格划分
• 4.2 安康市地理位置及气候条件
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 风速进口（velocity inlet）
• 4.3.2 出流面（outflow）
• 4.3.3 街区内壁面边界（wall）
• 4.3.4 一些简化的步骤
• 4.3.5 收敛条件
• 4.4 本次城市街区风场模拟结果及分析
• 4.4.1 风速为6.4m/s时的风场
• 4.4.2 风速为0.2m/s时的风场
• 4.5 本章小节
• 第5章 城市街区内污染物扩散数值模拟及分析
• 5.1 概述
• 5.1.1 污染源的设定
• 5.1.2 恶臭简介
• 5.2 污染物扩散数值模拟
• 5.2.1 数值模拟模型
• 5.2.2 街区内恶臭扩散数值模拟及分析
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文