榆中县城大气污染物扩散的观测实验与数值模拟

结合榆中县外场观测实验资料,利用计算流体动力学CFD(Fluent)软件对榆中县城区的流场和污染物扩散形态及规律进行了模拟研究.根据实际测量数据,利用Gambit软件建立了榆中县城区的三维城市建筑模型,导入Fluent进行模拟计算,对模拟结果与观测数据进行了对比分析,结果显示Fluent对流场和污染物扩散的模拟具有较好的一致性;具体而言,对风向、风速的模拟值与观测值的总体相似系数分别为0.876和0.843,对0.5m和27m高度处污染物模拟值和观测值的相关系数分别为0.71和0.72.因此,Fluent软件可用于城市污染扩散的模拟研究,也可以根据其模拟结果指导空气质量检测点的布设.     

Fluent在城区内流场及污染扩散模拟的适用性检验

基于榆中污染扩散实验翔实的观测资料,使用计算流体力学软件Fluent开展了城区内流场及污染物传输扩散的数值模拟研究,并将模拟值与外场实验观测值对比,以此检验Fluent软件的适用性。结果表明,Fluent能较好地模拟城区内流场,风场的模拟值能反应实际风场的变化趋势,风向平均绝对误差为32.18°,风速平均相对误差为35.63%;且模拟效果随风速的增大而逐步提高;城区建筑物对流场拖曳作用明显,街区分布对流场的影响较大;以SF6为示踪物,Fluent软件能模拟出与观测污染物扩散相似的形态,表明Fluent软件对污染物传输和扩散的较好模拟能力。该研究加深了对城区内流场复杂性的认识,并为了解城区内污染物传输扩散过程、做好空气污染事故灾害防治和救援以及事故后灾害评估等提供科学依据。     

WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟

为了准确刻画城市环境中的复杂建筑结构对大气运动和污染物输送及扩散过程的影响,结合中尺度模式WRF和微尺度模式Fluent构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并将其应用于榆中县城区高架源排放情景下大气扩散的模拟研究.基于城市气象/示踪外场试验期间获取的气象数据对WRF模式的模拟性能进行验证,发现WRF能够为Fluent提供比较准确的随时间变化的气象驱动场.在此基础上,将榆中县城区三维几何模型嵌入到WRF-Fluent中,对城区内的流场及污染烟羽的时空演变过程进行精细化模拟,并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对.结果显示,WRF-Fluent模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽随时间的动态变化特征,而且模拟的地面和城市冠层顶浓度最大值基本位于观测值的0.3~3倍之内,这表明构建的WRF-Fluent模式具有较好的模拟性能,可作为一种有效的工具应用于实际城市规划和空气质量改善以及环境风险评估等方面的研究.     

边界入流风场扰动对模拟城市大气扩散的影响

借助计算流体动力学(CFD)模式Fluent分析中性层结下边界入流风场(即风速和风向)扰动对地面点源释放情景下城市大气扩散过程的影响,其中边界入流条件以风速和湍流动能廓线的形式给出.研究发现CFD模式能够合理刻画实际城市中的特征流型(如涡旋,峡谷效应等),而且模拟的风速、风向和湍流动能均与观测数据吻合较好.敏感性试验结果表明,城区内的流场和湍流以及与之密切相关的污染物空间分布对边界入流风速和风向的扰动十分敏感.而这可能是造成已有研究中浓度模拟值与观测值不一致的主要原因之一.因此,在模拟城市大气扩散过程时应当考虑边界入流风场不确定性对模拟结果的影响.     

建筑物影响下大气污染物扩散数值模拟方法的比较

利用计算流体力学软件Fluent6.3.26提供的大涡模式和国标推荐的AERMOD模式分别对方形建筑物影响下的大气污染物扩散进行了模拟,通过与风洞实验结果的比较,对各模式的模拟能力进行了评价.结果表明,大涡模式对污染物散布特征的模拟与风洞实验结果基本一致,对建筑物顶部、空腔区和尾流区等区域污染物浓度分布的模拟效果均处于可接受水平;AERMOD模式模拟结果与风洞试验结果偏离较远,尤其是对空腔区污染物散布的模拟能力较差,误差较大.与大涡模式Y/H =0平面流场模拟结果对比(H为建筑物高度),AERMOD模式对风场的假设未能客观地反映建筑物附近气流变化的基本特征,是误差的主要来源之一,建议结合大涡模式订正,提高模拟结果的准确性.     

应用嵌套网格模式系统对沈阳市环境空气质量的数值模拟研究

利用嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)对沈阳市大气污染物的输送与化学转化进行了数值模拟研究,并对SO2、NO2和PM10等大气污染物浓度的模拟结果与监测结果进行了对比分析.结果表明,NAQPMS模式系统能较好地模拟出沈阳市的大气污染物输送与化学转化情况,SO2 NO2和PM10的模拟值与观测值具有较好的一致性,说明该模式能较好地反映这些大气污染物的分布特征和变化规律,可为今后深入开展沈阳市大气污染数值预报与传输扩散研究提供有效的手段.     

液化石油气球罐泄漏扩散的数值模拟

利用流体力学Fluent软件,对液化石油气球罐区泄漏扩散进行了数值模拟,主要研究不同风速和不同形状障碍物存在条件下扩散流场的变化规律。结果表明:风速影响扩散方向、距离、浓度以及扩散平衡时间;障碍物的存在改变了常规扩散轨迹、空腔区浓度积聚,且不同曲率的障碍物在介质扩散过程中所承受的外压不同。该研究结果对球罐区安全事故救援具有指导意义。     

应用Models-3模式系统对沈阳市空气质量的数值模拟研究

利用美国环保局开发的新一代空气质量模式系统Models-3,对2002年冬季采暖期间沈阳市大气污染物的输送与化学转化进行了数值模拟研究,并对SO2、NO2和PM10等大气污染物浓度的模拟结果与监测结果进行了对比分析.结果表明,Models-3模式系统能较好地模拟出沈阳市的大气污染物输送与化学转化情况,SO2、NO2和PM10的模拟值与观测值的变化趋势具有较好的一致性,说明该模式能较好地反映这些大气污染物的分布特征和变化规律,可为今后深入开展沈阳市大气污染数值预报与传输扩散研究提供有效的手段.     

建筑物尾流区气流与污染物扩散的数值计算

采用了细网格非静力能量闭合边界层模式和随机游动模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统．作为应用研究的例子，在对某城市地下交通隧道排废气的风井塔尾流区流场和浓度场进行风洞流体物理实验的基础上，利用所建的模拟系统对风井塔尾流区气流和污染物扩散特征进行研究．结果表明，所建的模拟系统的模拟结果与风洞试验的结果吻合较好，对一些小尺度带有明显湍流不均匀性的流场和局地空气污染物散布的情况有较好的模拟效果和良好的应用前景．     

鄱阳湖典型湖流流场与污染物浓度场的数值模拟

本文利用有限差分法分别求解二维浅水方程组和对流扩散方程.模拟鄱阳湖的典型湖流流场和湖水中有机污染物(COD)的浓度场.计算结果与实测数据颇为接近.     

道路绿化带对街道峡谷内污染物扩散的影响研究

研究了道路绿化带对街道峡谷内流场与机动车尾气扩散的影响特征.假设绿化带树冠为均匀多孔介质,采用压力损失系数表征树冠对空气流动的阻碍作用,建立可用于数值模拟的绿化带多孔介质物理模型.采用稳态k-ε湍流模型结合组分输运方程模拟道路中央有绿化带街道峡谷内的尾气扩散过程,模拟结果与风洞试验数据对比吻合较好.分析发现,有绿化带街道峡谷内存在一个围绕树冠的顺时针旋涡,旋涡中心略偏向右上方,背风面污染物浓度显著增大,较无绿化带的污染物平均浓度增长46.0%.进一步模拟了不同绿化带树冠高度情况下街道峡谷内流场与浓度场,发现随着树冠位置的上升,峡谷内流场旋涡中心逐步上移且偏向迎风建筑物,峡谷内整体气流速度下降,污染物浓度逐步升高,树冠底部高度为8 m时其污染物浓度可达4 m时的2倍多;尤其是当树冠顶部超过屋顶高度时,峡谷内污染物总体浓度增长迅速.     

城市街道汽车污染扩散规律模拟研究

如何简单而准确地模拟城市街区污染的扩散规律,对于城市汽车污染控制决策具有重要的意义,从大量实测数据,分析了风速风向等影响街道峡谷污染物扩散的主要因素,采用丹麦开发的街道峡谷模式ＯＳＰＭ,对汽车污染扩散规律进行模拟研究。与北京实测数据对比结果表明,该模式较好地模拟昼间风速风向对街道峡保内汽车污染扩散的影响,比较准确地反映了峡保中流场的主要特征,以及汽车排放污染物的扩散规律,污染物浓度与风速的倒数摈心     

壁面加热作用对街道峡谷污染物扩散的影响

采用CFD软件Fluent研究了不同壁面加热条件下街道峡谷内流场及污染物浓度分布情况.结果表明,当街道高宽比(H/W)为1.33时,在低风速(u=1m/s)条件下,当壁面与周围大气无温差时,街道峡谷内存在一个稳定的顺时针大漩涡,污染物在背风侧堆积.当背风面、地面和背风面分别被加热时,峡谷内流场分布与无温差时相似,此时峡谷内的湍流强度增强,导致污染物浓度降低.当迎风面被加热时,峡谷内流场由原来的单漩涡结构变为双漩涡结构,此时街道峡谷下部浓度较高,上部浓度相对较低.当地面和迎风面同时被加热,温差较小(?θ=2℃)时,街道峡谷内流场由单漩涡结构变为双漩涡结构; 温差增大为5℃,峡谷内由双漩涡分裂成了3个漩涡,此时污染物分布与迎风面被加热情况相似.通过实测值和模拟值的比较可知,Fluent软件对街道峡谷大气环境的模拟结果基本合理.     

动态风场及交通流量下街道峡谷内污染物扩散模拟

根据现场实测数据,应用标准k-ε模型研究了动态风场及交通流量下三维街道峡谷内的污染物扩散规律,数值模拟利用CFD软件FLUENT,其中动态风场和车流量变化信息通过用户自定义编程实现.结果发现,动态风场下空气在街道内部不断经历膨胀和压缩的过程,街道峡谷内部流场形态时刻都在变化;当风速由大变小时,空气膨胀出街谷,流型呈近似椭圆形分布;当风速由小变大时,空气压缩在街谷内部,流型呈近似圆形分布.风速的不断变化引起街谷内、外大气的压缩和膨胀过程,这种过程能够改善街谷内污染物的扩散情况.背风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低17.7%;迎风面行人高度处,动态来流下的平均污染物浓度要比定常来流下低27.1%.动态环境下污染物浓度的分布和峰值由风场和车流量变化共同决定.     

河谷型城市风场及污染物扩散的CFD数值仿真

为研究河谷型城市地形及其引起的风场和污染物扩散的复杂问题,利用CFD（计算流体力学）方法和复杂地形网格生成技术,建立河谷型城市风场及大气污染分布的数值仿真模型,实现CFD方法在复杂地形空气运动和污染物扩散方面的应用.分别使用LES（large eddy simulation）模型和mixture模型研究兰州市地面风场特征和污染物扩散形态,计算得到的污染物分布结果与实测结果分布一致.结果表明:复杂地形对空气运动的影响很大,如风速因山体屏障作用会呈现带状分布特征,山体后侧易出现弱风区域;同时,风场会密切影响污染物扩散,决定了污染物扩散形态,如幅散能够影响污染物扩散范围及污染水平.而给定西北风条件下,如地面以上10 m、风速为5 m/s、不受地形阻挡情况下,工业区污染物浓度被稀释10倍,约扩散2.2 km;山体阻挡会抑制污染物纵向扩散,表现在山体阻挡情况下污染物稀释100倍时的扩散长度约为相对平坦区域的1/3.此外,不同的入口风向会引起空气运动与山体相互作用发生变化,进而会使得地面风速、局部风场存在差异,造成污染物扩散及分布形态差异.研究显示,CFD方法可行,模型可靠,可以用来研究地形对风场和污染物扩散的影响.      

非孤立街道峡谷大气流动及污染物扩散特征

实际城市街道皆为非孤立街道,采用数值模拟方法研究了等高与不等高非孤立街道峡谷的大气流动及汽车排放污染物扩散特征.通过与已有的风洞实验结果对比,发现二者较吻合,并且目标街道峡谷上下游建筑物的存在对目标峡谷内部的流场和浓度场有很大的影响.与孤立街道峡谷相比,非孤立街道峡谷中污染物的浓度要远高于孤立街道峡谷中污染物的浓度,而且随着上下游建筑物的增加,使到达目标街道峡谷的风速相对减弱,污染物在峡谷中难以扩散,造成了峡谷内部污染物浓度会随着峡谷数的增加而增大.并且发现不等高峡谷建筑物高度存在一个临界点.      

建筑扰动条件下大气流动与扩散的CFD模拟

用FLUENT模式对中性大气、单个建筑的气流扰动情况进行模拟,并以风洞试验数据检验模拟效果;将模拟方法应用于类似城市建筑阵列条件的大气污染扩散问题,并且与现场示踪试验比较. 结果表明:FLUENT对建筑扰动条件的平均风场模拟效果良好,FAC2(模拟值与试验值之比在0.5~2之间的比例)在水平与垂直风速下分别达到77.9%与61.0%;对湍流特征量的模拟偏差稍大,K(湍流动能)虽总体偏小,但FAC2仍达到了54.6%. 选择湍流闭合的标准K-ε(ε为湍流动能耗散率)方案、重整化群K-ε方案和雷诺应力模型方案对结果的影响均不大. 采用FLUENT模拟了类似城市街区建筑阵列条件的大气扩散个例, 模拟结果反映了建筑扰动导致的扩散烟流轴线相对于平均风向的非常规偏移,并且扩散浓度与示踪试验结果相符较好,下风向32与63m处的侧向模拟浓度峰值的相对误差分别为72.5%与36.9%. 相比于高斯模式ISC3,FLUENT对复杂建筑阵列条件的扩散模拟结果更符合实际,如污染物向上风向扩散以及在建筑物周围堆积与绕流的现象. FLUENT扩散模拟还显示:近源处相邻建筑街道峡谷中的最大浓度沿下风向“阶跃”式减小,排放源所在街道峡谷中的最大浓度可比相邻街谷中的高几倍甚至1个数量级以上.      

上海世博规划区交通干道污染物对流扩散研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,对不同来流风速大小、风向条件下的上海世博规划区内四条主要交通干道上的交通污染物对流扩散进行了三维数值仿真。获得了不同工况下交通污染物浓度的空间分布。通过数值仿真结果分析,探明了交通干道上的机动车尾气排放对世博规划区内空气质量的影响(各工况下世博规划区内的CO最大浓度为0.25～0.59mg/m3;东南、东北和南风向下规划区内的NO2最大浓度分别为0.037mg/m3、0.03mg/m3和0.03mg/m3,而北风和西风下规划区建筑群内NO2最大浓度分别为0.068mg/m3和0.12mg/m)3,并揭示出应该重视靠近交通干道的建筑物附近的空气质量改善,特别是要重视靠近卢浦大桥两侧的建筑群周围空气质量改善(卢浦大桥两侧的建筑群周围NO2最大浓度已稍大于《环境空气质量标准》规定的一级标准浓度限值)。     

长江三角洲地区大气污染物水平输送场特征分析

以长江三角洲地区为研究对象,探讨城市群环境污染规律.利用区域中尺度大气数值预报模式MM5模拟2004年1,4,7和10月长江三角洲地区的气象场.结果表明:冬季,长江三角洲地区近地面及500 m高度层主要为西北风控制,输送气流主要来自西部内陆地区;春季,盛行东南风和偏东风,存在明显的东南向西北方向的输送气流;夏季,则以偏南输送气流为主,杭州湾地区海面向内陆方向以及太湖湖面风速较大,输送扩散能力较强;秋季则转为东北风,近地面杭州湾以北盛行北风,以南主要受海面东北风的影响.结合HYSPLIT-4三维轨迹模式计算分析该地区典型污染过程时污染物的输送气流轨迹,证实了污染过程伴随500 m高度处东北主频气流的“外源”输入现象.