Application of CFD Methods for Modelling in Air Pollution Problems: Possibilities and Gaps

Different urban air pollution problems deal with complex structure of air flows and turbulence. For such problems the Computer Fluid Dynamics (CFD) methods become widely used. However, this approach despite a number of advantages has some problems. Experience of use of CFD tools for development of models and suggestions of their applications for a local scale air pollution over a complex terrain and stable stratification are discussed in this paper, including: Topography and complex geometry: choose of the co-ordinate system and computer grid; Turbulence closure for air pollution modelling: modified k- model for stable stratified ABL; Boundary conditions for vertical profiles of velocity for stable-stratified atmosphere; Effects of the radiation and thermal budget of inclined surfaces to dispersion of pollutants; Artificial sources of air dynamics and circulation.Some examples of CFD applications for air pollution modelling for a flat terrain, mountainous area, mining open cast and indoor ventilation are discussed. Modified k- model for stably-stratified ABL is suggested. Due to the isotropic character of the k- model a combination of it in vertical with the sub-grid turbulence closure in horizontal can be more suitable for ABL. An effective scheme of boundary conditions for velocity profiles, based on the developed similarity theory for stable-stratified ABL, is suggested. Alongside with the common studies of atmospheric dispersion, the CFD methods have also demonstrated a good potential for studying anthropogenic and artificial-ventilation sources of air dynamic and circulation in local-scale processes of air pollution.     

基于安徽省土地利用变化的地形梯度效应分析

为揭示地形因素与土地利用空间格局演变的关系,以安徽省2000年、2005年以及2010年Landsat TM影像和DEM数据为数据源,利用坡向、地形起伏度、坡度变率和地形位指数多种地形因子,并结合地学信息图谱分析理论从综合角度系统研究土地利用结构时空分异格局在地形梯度上的变化特点及其规律。结果表明:1)研究区主要的土地利用类型是耕地和林地,其次是建设用地和未利用土地,且建设用地面积逐期增加趋势显著。2)2000~2010年研究区不同土地利用类型在不同地形梯度区间的分异规律存在明显差异。低地形梯度范围是耕地、水域和建设用地的优势分布区;中地形梯度范围是草地的集中分布区;林地的优势分布区集中在高地形梯度范围。3)2000~2010年研究区土地利用图谱以稳定型和后期变化型为主,低地形梯度和高地形梯度是稳定型图谱的集中分布区,中低、中高和高地形梯度范围是后期变化型图谱的优势分布区。2000~2005年林地的优势分布区有向较低地形位梯度扩张的趋势,其中,耕地是主要的转入来源。2005~2010年耕地的优势分布区有向较高地形位梯度扩张的趋势,变化模式主要为:"林地–耕地"、"未利用地–耕地"和"草地–耕地"。     

地震滑坡地形剖面线多重分形特征及其在稳定性判别中的应用

"5.12"汶川地震诱发了大量的滑坡和不稳定斜坡体,这些滑坡和不稳定斜坡体的稳定性影响到灾区社会经济发展和灾后重建。地震滑坡的不同稳定性状态孕育了滑坡地形剖面线的演化特征,并且地震滑坡地形剖面线直接地反映了在地震力作用下坡体的演变过程和演化机制。根据实测的汶川地震诱发的滑坡地形剖面线特征,研究了相对稳定滑坡、蠕滑阶段滑坡和不稳定斜坡的地形剖面线的分布特征,以及地震滑坡不同稳定状态下的地形剖面线的多重分形维数演化特征。研究结果表明相对稳定滑坡的多重分形维数演化特征的具有明显的有序性,处于蠕滑状态的滑坡和不稳定斜坡的多重分形维数演化出现明显的特征性拐点。     

对应分析在CFIT事故致因研究中的应用

为揭示可控飞行撞地(CFIT)事故致因规律,根据Reason-SHEL模型得出的10个CFIT事故致因因子,分析从飞行安全基金会数据库中整理出的2006—2011年间40起CFIT事故。在此基础上建立CFIT事故年份-成因列联表,再利用SPSS软件对表格进行对应分析。将事故成因和年份同时反映在二维散点图中,实现数据可视化。最后对图形进行向量、圆心接近点以及区域化等3项分析。根据结果得出,CFIT事故的主成因是人因操作和外界环境;随着年份增加,飞行员状态(药物/疲劳、经验不足)对造成CFIT事故的重要性越来越明显;不同年份有不同的重要致因因子。     

复杂电磁环境仿真软件中的大地形文件传输技术研究

为了提高仿真速度,仿真软件一般采用多台计算机进行协同工作,首先搭建一套电波传播仿真并行系统,该系统能够导入地理信息,并在导入的地图上进行电磁辐射源建模及电磁环境仿真工作。但是,对于一些很大的地形,其海量的三维地形数据的传输时间过长,这加大了总的仿真等待时间。所以为了综合利用多台计算机的资源优势,提出使用BitTorrent方式,使得服务端与客户端的计算机均可以为地形文件的传输做贡献,极大减少了地形文件传输时间,可以从侧面提高仿真工作的效率。     

小波处理下的电磁环境仿真加速方法效果对比

为了减少复杂电磁环境的仿真时间,在一定的精度允许的范围内,可对地形做适当的处理,以减少射线条数,换取仿真时间的缩短。本文通过小波分解,再进行中值滤波处理,以完成地形的平滑去噪处理。且为了选取最优小波基,本文采用不同小波基,对地形高程值进行小波变换和滤波处理,比较处理后的地形仿真效果,进而找出对地形做小波变换的最优小波基。     

非点源污染影响因素及区域差异

随着点源污染控制加强,非点源问题更加突出。污染时间、方式、总量的三不确定给农业环境管理带来困难,控制措施难以有效实施,特别是农业非点源污染日益加剧,水环境质量不断恶化。从污染产生过程,结合污染特征,分析了非点源污染汇污的各种影响因素,包括污染物现存总量及变化趋势和环境净化能力、农业生产活动及管理水平、气候和水文条件;特别提出社会经济活动对污染影响显著;指出主导影响因子的时空变化,并存在地域差异。强调了在三峡库区开展基础调查工作和建立污染数据库的必要性,以期为库区农业环境质量现状评价和总体控制措施的筛选提供科学依据。     

基于Monte-Carlo方法的长输管道气体扩散模拟研究

目前气体扩散模拟研究多采用流体力学的计算方法,分析气体扩散过程中的动力学特性.有限体积、有限元等方法都需要对事故区域整体进行网格划分,计算过程效率无法满足长输管道事故应急跨区域、多气象以及复杂地形的要求.Monte-Carlo方法利用RAMS预测的平均风场,模拟有限气体粒子在风场中的随机行走特性,有效地弥补了计算效率与网格精度冲突所导致的模拟性能下降的缺点.通过HAVEGE方法收集计算的硬件信息熵形成随机源,修正了以往伪随机数问题,增强了Monte-Carlo方法的计算精度.结果表明Monte-Carlo气体扩散模拟研究方法满足了长输管道事故灾害应急决策的需要.     

普光高含硫气田企地三级应急联动模式研究和运用

普光气田属于高含硫气田,一旦发生事故对周边危害极大,该域地形复杂,山高路险,道路狭窄,人口密集,不利于疏散,普光应急管理模式面临挑战.为了解决这一难题,普光气田采用企地三级应急联动模式,旨在紧密联系企业和地方的应急疏散管理,明确应急疏散领导小组及职责,规定居民疏散信号、路线和安全集合点.通过培训与演练,本方案能够提高企地协同作战的应急疏散能力,最大限度地减少事件造成的人员伤亡、财产损失和社会危害.     

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.