微细颗粒物的边界层近壁面运动

颗粒污染物(如PM_(10)等)在暴露体附近壁面的流动很普遍,与背景流场作用和运动归宿较复杂,且具较大研究和实用意义。本文采用近壁面湍流模型对典型直管边界层颗粒流进行模拟,研究直管湍流中颗粒沉积等特性。研究发现:在本模拟条件下,采用增强壁面模型所得流动与前人DNS结果较吻合,所得颗粒无量纲沉积速度在前人研究结果区间内。无量纲沉积速度随无量纲松弛时间增大而增大,但略有不同。在无量纲松弛时间较小且壁摩擦速度较小时,近壁面模型影响较大。当颗粒数St1时,通过率随St增加而减小,随摩擦速度增大而增大;当St较小时不受影响。本研究初步给出不同近壁面湍流模型对暴露体附近湍流和颗粒流动的影响,有利于颗粒污染物的暴露研究和控制。     

屋顶形状对街道峡谷内污染物扩散的影响

采用Spalart-Allmaras湍流模型,通过求解二维连续性方程,Navier-Stokes方程及污染物输运方程,模拟了具有不同屋顶形状的街道峡谷的流场及交通污染物浓度场.计算结果与风洞试验结果总体趋势一致.由于屋顶形状的不同,峡谷内的流场会形成顺时针或逆时针方向的旋涡,从而影响建筑物迎风面与背风面污染物浓度分布.在各种屋顶形状的街道峡谷中,壁面污染物浓度的相对大小与其附近的速度分布有直接关系.通过对街道峡谷建筑屋顶高度处垂直方向污染物通量的计算和比较,说明了不同屋顶形状的街道峡谷平均流扩散和湍流扩散的强弱,污染物湍流扩散通量值有可能为正或为负;同时,峡谷内剩余污染物浓度的大小表明了屋顶形状对污染物扩散出街道峡谷难易的影响.      

建筑间距对大气流动及输移特性影响的模拟研究

采用修正的k-ε湍流模型对不同建筑间距情况下的大气流场、污染物浓度场进行模拟研究。模拟研究结果表明,气流遇到建筑物发生绕流,风速为3m/s的气流在建筑物附近的最大抬升速度达到1.98m/s,气流绕过建筑物后湍动能增强,建筑物后污染物的扩散区域变大;建筑物的布局对气流流动和污染物浓度分布有着很大影响,在不同建筑间距情况下,建筑物尾流区的流场形态有着明显的不同,尾流区内污染物的分布也存在差别。研究结果对认识多个建筑物附近的气流和污染物分布有重要意义。     

湍流模型对预测街道峡谷污染物扩散的影响

文章选取标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、realizablek-ε湍流模型和单方程Spalart-Allmaras涡黏系数模型对街道峡谷附近的流动和汽车尾气污染物扩散进行了模拟,并与风洞试验值进行了比较,结果表明,4种模型对街谷壁面的浓度预测在趋势上与试验值基本一致,Spalart-Allmaras模型的预测效果最好,realizablek-ε模型预测最差,而标准k-ε模型和RNGk-ε模型的预测介于其间;RNGk-ε模型和realizablek-ε模型的修正作用在预测建筑物尖角和顶部附近的流动处有所体现,但对街谷内浓度分布的预测仍不如标准k-ε模型;本文从流场分布的特点对4种模型的浓度预测差别进行了解释,证明了壁面浓度与其附近的速度和湍流黏性系数的分布相对应。     

街道峡谷型交叉口内气态污染物扩散的数值模拟

对大气边界层内大气湍流和建筑物对道路交叉口处机动车排放气态污染物扩散的影响进行了研究.在计算区域内建立了三维街道峡谷型道路交叉口及其内部机动车排放的模型,并在中性层结条件下,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)稳态κ-ε湍流模型和被动标量的输运方程模拟了模型内外的流场和CO浓度场.结果表明:① 在相同高度条件下,交叉口处与处于下风向的街区内CO浓度明显高于其他街区;②风向对污染物的输运起决定性作用,在不同高度平面内CO浓度最大值均出现在平行风向的街区内;③外部大气湍流的驱动使得垂直风向的街区内产生强烈涡旋,涡旋的输运作用导致相同高度下上风向CO浓度较高;④交叉口处气流的掺混导致气流速度降低,使得平行风向的街区内CO可以向两侧垂直风向的街区内扩散,起到了稀释交叉口处地面附近CO浓度的作用.模拟结果与风洞实验结果符合较好,验证了方法的可靠性.      

基于CFD方法的土工离心机数值建模

目的 研究湍流模型和旋转域划分对土工离心机数值计算的影响,以建立适用于土工离心机计算的数值模型。方法 针对一款有实测风阻功率的土工离心机模型,分别采用SRF和MRF方法进行建模,选用标准k-ε、RNG k-ε和SST k-Omega湍流模型,对不同转速下土工离心机室内流场进行数值模拟,对比计算所得风阻功率、流场及温度场分布。结果 标准k-ε模型和SST k-Omega模型对湍流黏度的过度预测会导致计算所得土工离心机风阻功率偏大。中低转速下,旋转域的划分对计算结果的影响较小,但采用SRF方法计算所得的风阻功率与实验值更接近。结论 通过对比实验结果,为土工离心机计算建立了较为可靠的数值模型,并通过对比流场分布分析了因湍流模型选择引起计算误差的原因,为土工离心机数值模拟提供了思路。     

垃圾渗滤液变组分浓度污染物运移耦合模型

基于非饱和溶质运移理论,建立了水分运移和溶质对流-扩散的动力学耦合模型,通过室内土柱试验拟合了垃圾有机污染物衰减曲线,在充分考虑垃圾污染物浓度衰减,土壤水环境吸附解吸、生物降解作用基础上,进行了污染物运移的数值模拟,模拟结果较真实地反映了污染物的运移规律,该模型可为定量预测垃圾场土壤中有机污染物的时空分布提供一定的理论依据。     

双区静电除尘器的数值模拟研究

采用数模拟的方法研究了双区静电除尘器内流场分布、颗粒荷电及颗粒运动等难以直接测量的物理过程,构建了双区静电除尘过程完整的数值模型.采用泊松方程、电流连续性方程和匀强电场方程描述电场,采用N-S方程和雷诺应力标准湍流模型描述流场,采用拉格朗日法描述颗粒运动轨迹.通过截面风速与颗粒去除率的模拟值与实验值的对比,验证了数值模型在模拟内部流场和颗粒运动时的准确性.数值模拟结果表明：双区静电除尘器内部流场分布对入口风速的变化非常敏感;颗粒荷电方式占比由颗粒粒径决定;荷电区内颗粒向极板的趋近过程由流体曳力和电场力共同完成,收尘区内的趋近过程则由电场力主导;入口流速通过改变颗粒前进速度和内部流场形态来影响颗粒运动轨迹.     

机动车尾流区CO2扩散特征的数值分析

为了研究车辆运动过程中尾流区排放污染物的扩散情况,通过CFD软件FLUENT 6.1.22TM中湍流模型和组分输运方程对单辆货车尾流区内的气流速度、湍流动能和排气管排放的CO2浓度的分布进行了模拟.通过模拟结果与风洞实验的数据对比验证了模拟结果的适用性.分析了车速,排气管出口温度和湍流动能对货车尾流区内CO2扩散过程的影响,结果表明,由于出口直径和流速相对较小,排气管射流对尾流区流场的影响不明显;在排气管出口处CO2的浓度梯度最大,且随着与车尾距离的增加浓度迅速减小;尾流区内CO2在x、y、z3个方向上的浓度变化速度均随车速的增加而增加;且在尾流区内相同位置处.车速越大CO2浓度越低;排气管出口与外部环境温差对污染物扩散的影响仅局限于距离车尾0.75倍车长范围内;湍流动能最大值出现在尾流区内,有利于CO2的稀释和扩散.     

室外空气污染对室内空气质量的影响研究

利用数值模拟方法,研究了单个建筑物外存在点污染源时室外空气污染对室内空气质量的影响.首先利用点污染源时单个建筑物周围污染物扩散的风洞实验验证了计算模型和方法的正确性,再利用自然通风的风洞实验,计算了不同污染源位置和建筑物进风口时的室内外速度场和污染物浓度场.结果表明:速度场的计算结果与风洞实验结果基本吻合,无量纲通风量的计算值略小于实验值;建筑物迎风面回流区上方的气流进入室内;当点污染源位于建筑物前的距离和建筑物高度之比约等于1时,污染源在地面处的室内污染物浓度要小于源在建筑物高度一半处的;建筑物进风口的挡风板对室内污染物浓度的影响不大;根据壁面上污染物浓度的分布来改变进风口位置,是减少室内空气受室外污染影响的有效方法.      

煤中挥发氮析出过程模拟:不同热解模型的影响

采用数值模型研究了煤热解、燃烧过程中挥发分氮的析出、中间含氮产物HCN的生成以及转变为NO的过程．分别采用双方程模型和通用模型描述热解过程，利用有限体积方法对质量、化学组分、动量和热量守恒方程进行离散求解．计算结果表明两种模型获得的热解过程、孔隙率、HCN生成率等方面存在一定差别，而对颗粒着火时间、NO生成率等方面比较接近．与试验结果比较，采用双方程模型对模拟烟煤颗粒的挥发氮析出过程准确度相对较高．     

Characteristics of atmospheric single particles during haze periods in a typical urban area of Beijing: A case study in October, 2014

To investigate the composition and possible sources of particles, especially during heavy haze pollution, a single particle aerosol mass spectrometer (SPAMS) was deployed to measure the changes of single particle species and sizes during October of 2014, in Beijing. A total of 2,871,431 particles with both positive and negative spectra were collected and characterized in combination with the adaptive resonance theory neural network algorithm (ART-2a). Eight types of particles were classified: dust particles (dust, 8.1%), elemental carbon (EC, 29.0%), organic carbon (OC, 18.0%), EC and OC combined particles (ECOC, 9.5%), Na-K containing particles (NaK, 7.9%), K-containing particles (K, 21.8%), organic nitrogen and potassium containing particles (KCN, 2.3%), and metal-containing particles (metal, 3.6%). Three haze pollution events (P1, P2, P3) and one clean period (clean) were analyzed, based on the mass and number concentration of PM_2.5 and the back trajectory results from the hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model (Hysplit-4 model). Results showed that EC, OC and K were the major components of single particles during the three haze pollution periods, which showed clearly increased ratios compared with those in the clean period. Results from the mixing state of secondary species of different types of particles showed that sulfate and nitrate were more readily mixed with carbon-containing particles during haze pollution episodes than in clean periods.     

三维溢油动态预报模式

基于“油粒子”概述建立了模拟海上溢油行为的三维数值模型。模型运用确定性方法模拟平流过程，采用随机性方法模拟湍流扩散过程，“粒子扩散”方法避开了“平流－扩散”传统数值方法所导致的伪扩散效应，同时将油由于自身特性和扩展与受环境动力作用的被动扩展融为一体，较好地解决了油膜的扩散和破裂问题，通过模拟结果与卫星遥感监测资料的比较表明，模拟的溢油漂移方向误差不超过２０°，厚油区的分布面积与卫片资料基本一致。     

基于小波神经网络的地下水流数值模拟模型的替代模型研究

以吉林西部为研究区,建立地下水流数值模拟模型,分别应用蒙特卡罗方法和拉丁超立方方法在研究区10个县(市)开采量的可行范围内进行采样,经对比选择拉丁超立方抽样结果得到输入(开采量)—输出(水位降深)数据集,建立小波神经网络模型作为地下水流数值模拟模型的替代模型,而后对替代模型有效性作误差分析,并与多元非线性回归替代模型进行对比.结果显示,2种替代模型在功能上都能逼近地下水流数值模拟模型,但小波神经网络模型得到的水位降深均值和水位降深剩余标准差与模拟模型计算结果的相对误差分别低于多元非线性回归模型76%和45%,说明小波神经网络模型更适合作为地下水流数值模拟模型的替代模型,这为减少优化模型求解过程中直接调用模拟模型所造成的计算负荷提供了一种有效的替代方法.     

济南市大气颗粒物背景值确定方法

城市大气颗粒物背景值的确定能够为制订城市大气颗粒物污染防治目标提供重要基础支撑,探索大气颗粒物背景值确定方法对于大气污染防治具有重要意义.以济南市清洁对照点跑马岭监测数据为基础,直接采用概率密度法计算得到的ρ（PM₁₀）和ρ（PM_2.5）背景值范围分别是100~110和40~50 μg/m3.综合应用空气质量模型模拟法和概率密度法,提出基于数值模拟的城市大气颗粒物环境背景值确定方法,并在此基础上确定了济南市大气颗粒物背景值.结果表明:济南市ρ（PM₁₀）和ρ（PM_2.5）背景值范围分别是30~35和15~20 μg/m3,其中ρ（PM₁₀）环境背景值秋季（40~45 μg/m3）最高、夏季（25~30 μg/m3）最低;ρ（PM_2.5）环境背景值秋季（25~30 μg/m3）最高、冬季（10~15 μg/m3）最低.研究显示,基于数值模拟计算得到的颗粒物背景值明显低于直接采用概率密度法得到的结果,表明跑马岭受人为因素影响明显,监测结果已不能完全代表济南市大气颗粒物背景值水平;而数值模拟法可以完全剔除了人为源的贡献,计算得到较为准确的ρ（PM₁₀）和ρ（PM_2.5）背景值.      

天津市突发事故条件下大气污染的应急模拟

基于数值天气预报模式和自动气象站观测资料,采用随机游走粒子-烟团模式对天津市突发事故条件进行应急示踪模拟试验.结果表明,模式能在10min内给出计算结果,并能较好地模拟大气突发事故的大气扩散过程,粒子的散布和积分浓度的分布均能反映出大气突发事故污染物扩散路径和影响范围的变化,可以作为事故应急决策系统的大气扩散模块,为早期应急和后果评价提供更接近实际的信息.     

基于克里格法的地下水流数值模拟模型的替代模型研究

以内蒙古乌拉特中旗金泉工业园区水源地为研究区,建立了研究区地下水流数值模拟模型.采用拉丁超立方方法得到输入(抽水量)输出(水位降深)数据集,运用克里格法建立了地下水流数值模拟模型的替代模型—克里格模型.将克里格模型输出结果与地下水流数值模拟模型输出数据集进行对比发现,克里格模型和地下水流数值模拟模型得到的地下水位降深均值的拟合平均相对误差为0.22%,地下水位降深剩余标准差的拟合平均相对误差为0.03%,拟合误差很小.表明克里格模型可以有效地替代地下水流数值模拟模型,这为大幅减小优化模型在优化迭代求解过程中多次调用模拟模型造成的巨大计算负荷提供一种有效的替代方法.     

不同污染条件下南京春季CCN活化特征分析

在2018年3~4月对南京北郊地区的气溶胶开展了云凝结核（CCN）特征的外场观测,并结合气象数据、PM_2.5浓度和化学组分信息以及光学特性等数据,对观测期间的污染天和清洁天进行了对比,分析了典型污染过程和新粒子生成天的CCN特征.结果表明,本次观测中气溶胶CCN活性总体较高,各过饱和度（SS）下的平均吸湿性参数（κ）为0.30,在最低过饱和度下（SS=0.17%）κ最低,且最大活化率（B）仅为0.72,表明气溶胶中有较多不易活化的物质.污染天κ高于清洁天,但活化率更低且外混程度更高,主要是受交通和工业排放的吸湿性较差的粒子影响,而颗粒物在夜间可迅速老化,使其吸湿性提升,CCN数浓度增加.新粒子生成天的κ受到粒子成核的影响有明显日变化,对总气溶胶数浓度（N_CN）和CCN数浓度（N_CCN）也有显著贡献.     

地下水三维数值模拟及其优化开采

通过总结地下水三维数值模拟及其优化开采的研究方法，本文建立了地下水概念模型、数学模型、三维数值模拟模型和优化模型的耦合模型，最后提出了联合运用地理信息系统软件Arc View、地下水模拟软件FEFLOW和最优化软件Lindo或Lingo的实现方案。