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.     

双车道街道峡谷内污染物扩散的模拟

采用二维低Re数κ-ε模型和被动标量的湍流扩散方程,对双车道街道峡谷内的流场和气态污染物浓度场进行了研究.并应用风洞实验数据对模拟进行了验证,分析流场和浓度场的模拟结果表明,3种不同排放情况下,流场分布相同,且相同高度下,上风向污染物浓度均高于下风污染物浓度.由于流场导致浓度梯度分布的差异,相对于上风向车道情况,下风向车道上排放的污染物更易于向街道峡谷外扩散.     

京津冀冬季大气混合层高度与大气污染的关系

大气混合层高度(MLH)是影响大气扩散的主要因子之一,其对大气质量评估和污染物的存储量及分布起着重要作用.本实验利用云高仪对2014年污染严重的2月京津冀区域4个站点(北京、天津、石家庄和秦皇岛)MLH进行了同步连续观测,分析了其各自及其区域总体变化特性.结果表明,秦皇岛MLH月均值最高,达到865 m±268 m;石家庄最低,为568 m±207 m;北京和天津介于这两城市之间,分别为818 m±319 m和834 m±334 m;结合气象数据分析发现,辐射和风速是影响混合层高度的主要因素;对4个站点颗粒物浓度与混合层高度的关系研究表明,混合层低于800 m,4个站点细颗粒物浓度均会超过国家二级标准(GB 3095-2012,75μg·m-3),观测期间北京、天津、石家庄和秦皇岛这4个站点混合层高度低于800 m天数所占比例分别为50%、43%、80%和36%.石家庄虽然近地层污染物浓度较高,但是大气混合层以内污染物负荷并不高,不利的大气垂直扩散条件是石家庄近地面长时间高浓度污染的主要原因.研究结果对于认知京津冀区域污染分布现状具有重要意义,并可为区域内污染源合理分布提供科学参考.     

复杂地形上流场和浓度场的数值模拟应用于环境空气影响评价

利用数值积分方法求解复杂地形上三维大气热力－－动力学方程组以及扩散方程，模拟复杂地形上的流场和污染物浓度场情况，并与现场污染物和污染气象测试结果比较分析，模式计算结果与观测结果基本相符。将该模式应用于扩建工程环境空气影响评价，使评价结果更趋合理，准确，该模式能够反映复杂地形上不同大气稳定度下的污染物输送，扩散规律，因此可作为解决复杂地形上空气污染物扩散的实用方法。     

风向对街道峡谷内污染物扩散的影响

采用Fluent软件,选用RNG k-ε湍流模型,对长高比为5的街道峡谷(简称街谷)在0°～90°风向下流场和污染物浓度场进行了数值模拟. 结果表明: 0°～75°风向时,街谷内流场呈明显的三维特性,90°风向时,流动表现出中长街谷的二维特点;风向对街谷内壁面污染物浓度的分布有显著影响,90°风向下的街谷壁面浓度最大,其次是45°风向,其余风向下的相对较小,污染物浓度的计算值与风洞试验值在趋势上吻合较好;壁面污染物浓度的分布由街谷内长度方向漩涡、来流冲角产生的进口回流及沿长度方向的流动所决定,壁面浓度的分布差异均可从附近的流场获得解释. 街道峡谷内长度方向的漩涡模拟过强会导致地面附近污染物浓度的计算值偏离试验值.      

基于GIS和大气数值模拟技术评估兰州市PM10的人群暴露水平

利用2001年1月1日~31日兰州市城区PM10月均观测浓度和CMAQ空气质量模式模拟出的PM10月均浓度,基于GIS平台,将污染物浓度与人口的空间分布图层相叠加,并采用PM10人口加权算法,定量评估了兰州市居民的颗粒物暴露水平,并对应用这2套数据的评估结果进行了对比.结果表明,与使用观测数据相比,模拟的PM10浓度空间梯度较大,模拟结果更加细致地展示了PM10浓度在兰州城区的分布,同时PM10浓度的最小值和最大值跨度也较大.对比人口加权前后PM10浓度发现:人口加权后,从城区人口的空间分布来讲,兰州市有较多的人口分布在污染较重的地区.     

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.     

风速及泄漏量对无组织排放的苯污染物浓度影响的CFD模拟研究

利用Fluent软件对某化工厂苯污染物的无组织排放在居民区的扩散规律进行了模拟,研究并比较了风速及无组织泄漏量对污染物浓度的影响。研究结果表明：存在伙,当实际泄漏量大于QC时,敏感点的苯污染物浓度随风速增大而减小;当泄漏量小于伙时,敏感点的苯污染物浓度随风速增大而增大。风速较小时,随着敏感点到泄漏源距离的增大,敏感点的污染物浓度有减小趋势;风速较大时。敏感点的苯污染物浓度不仅与敏感点到泄漏源的距离有关,还与污染物的泄漏量有关。在污染物扩散方向的下风向街区内,迎风一侧的污染物浓度高于背风一侧的污染物浓度。     

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.     

兰州冬季大气污染来源分析

利用WRF(天气研究与预报模式)输出的高分辨率气象数据驱动HYSPLIT_4.9(混合单粒子拉格朗日轨迹模式),结合PSCF(潜在源贡献因子)和CWT(权重浓度轨迹分析)模拟研究复杂地形下兰州城市尺度大气污染物局地输送特征、潜在源区及其对空气质量的影响. 结果表明:2002—2008年影响兰州城区冬季12月空气质量的轨迹可分为5类,输送类型可分为城区内输送和城区外输送. 第1、3类轨迹出现频率均大于20%且污染轨迹出现频率均大于38%,是污染物的主要输送路径,对应潜在源区为兰州城关区东北部和榆中县东部,这2个源区对ρ(PM₁₀)的影响最大,对ρ(SO₂)的影响最小,对ρ(PM₁₀)、ρ(SO₂)和ρ(NO₂)的贡献分别超过200、80和60 μg/m3. 来自榆中县的第4类轨迹和兰州西固区的第5类轨迹易造成大气重污染,而来自皋兰县的第2类轨迹属于清洁轨迹. 兰州冬季污染既受局地输送的影响,也与地面天气形势密切相关.      

观测数据权重对地下水有机污染物生物降解模型参数估计的影响

地下水多组分反应运移模型是刻画解释微生物降解地下水有机污染物的水文地质、生物地球化学耦合过程并对各组分分布特征进行预测的重要工具.反应运移模型往往包含多个参数,并含有多种不同生物化学组分的观测数据,高维参数和观测数据类型的多样性给模型参数的反演带来了极大的困难.因此,本文以反应运移软件PHT3D模拟某污染场地地下水中有机污染物生物降解的理想正问题为例,对比讨论了不同观测数据权重对反应运移模型参数估计的影响.结果表明:未考虑观测数据权重时参数估计结果与真实值相差较大,而采用反映观测误差的权重时参数估计值与真实值更接近.敏感性分析表明,参数对于不同观测组数据的敏感度有明显差异.对于本例,生物降解模型中的降解反应参数最敏感,其次是溶解速率迁移常数,多相溶解度摩尔分数敏感度较小.