城市大气微环境大涡模拟研究.pdf

中国科学G辑:物理学力学天文学2008年第38卷第6期:1~12《中国科学》杂志社
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城市大气微环境大涡模拟研究

崔桂香①*,史瑞丰①,王志石②,许春晓①,张兆顺①

①清华大学工程力学系,北京100084;

②澳门大学科技学院,澳门999078;
*E-mail:[e-mail]

收稿日期:2007-10-30;接受日期:2008-03-11
国家自然科学基金(批准号:10572073)(NSFC-10572073)和澳门科技发展基金(批准号:0221/Z006/A)(FDCT022/2006/A)
资助项目

摘要良好的空气质量是居民生活环境的重要条件之一,大气微环境研究关键词
与居民区的空气质量密切相关.大气环境由多尺度的空气运动主宰,而城市微环境流动
居民区空气流动属于微尺度大气流动.介绍城市居民区微尺度大气环境的现大涡模拟
代数值方法——大涡数值模拟方法.针对居民小区复杂流动的特点,讨论如湍流扩散
何正确应用大涡数值模拟方法,比较不同数值方法对预测城市微环境流动的
影响,如:下垫面阻力元法与浸没边界法,亚格子模式的影响等.以模型小
区和实际小区为例计算了风场(包括湍流统计特性),污染物浓度等物理量分
布,数值计算结果和模型小区及实际小区的实验测量数据符合良好.

良好的空气质量是优美人居环境的主要条件之一.随着城市化和人民生活水平的提高,
城市居民区的空气质量愈来愈受到重视.随着城市规划科学性和人居环境质量要求的不断提
高,传统的经验预测或工程估计方法难以满足要求.在计算机资源迅速改善的今天,用计算流
体力学的新方法研究环境流动已成为经济有效的手段.然而,实现大气微环境的准确大涡模
拟预测,仍需要在流动的物理机制和湍流模拟方法两方面进行深入研究.
城市居民小区的大气环境空间范围较小,属于微尺度气象问题,也是城市大气环境的子
系统[1],具有复杂的湍流流动特征,需要较准确地分辨建筑物等几何边界,才能准确预测风场
和污染物浓度分布.另一方面,居民小区的大气环境是大气边界层内的流动现象,数值预测与
中尺度大气预测有不同的特点,随机扰动与小尺度流动结构都可能对微环境流动产生较大影
响,必须尽可能精细地考察区域内流动与物理量变化.因此,不能把下垫面简化为粗糙表面,
而需要将建筑物等组成的下垫面作为求解域边界,准确满足边界条件.
居民小区大气环境处在大气边界层内,而大气边界层的流动是非定常的湍流运动,因此,

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崔桂香等:城市大气微环境大涡模拟研究

居民小区大气环境的数值预测属于非定常复杂湍流的数值计算.湍流数值模拟是流动数值模
拟的前沿课题,由于湍流含有不同尺度的脉动,通常称之为各种尺度的“湍涡”.分辨所有尺度
湍涡的数值模拟称为直接数值模拟(DirectNumericalSimulation,DNS),但是目前计算机水平
不足以分辨复杂湍流中所有尺度的湍涡.工程计算中常用时间平均法,将所有湍流脉动对平
均运动的作用归结为雷诺应力和平均湍流扩散,进而对雷诺应力和平均湍流扩散作模式假定,
这种方法称作雷诺统计平均法(ReynoldsAverageNavier-Stokes,RANS).显然,RANS只能提供
时间平均量,不能提供脉动量,难以准确地提供大气运动的演化过程.大气科学家[2]最早提出
一种湍流大涡数值模拟方法(LargeEddySimulation,LES),这种方法的基本思想是将湍流运动
中的小尺度脉动过滤掉,将小尺度脉动对大尺度(大涡)的作用建立模型.近年来,这种方法的
研究和应用取得很大发展.
本文先简要介绍大气环境数值模拟方法的基本原理,然后结合具有实验结果的模型小区
和实际居民小区的算例,说明微环境流动的大涡数值模拟方法和相应的结果.

1数值方法
1.1大涡模拟的控制方程
大气运动属于低速空气运动,它的控制方程满足Navier-Stokes方程和质量扩散方程,大
涡模拟的控制方程则通过过滤运算得到,本文采用以下过滤函数
uuGVxyxy=−d
ii()∫()(),(1)

Gη=ΔΔΔ1,
()(123)ηii≤Δ2,

G(η)=0,|ηi|>Δi/2,

式中Δi是过滤长度,将(1)式用于Navier-Stokes方程和质量扩散方程,便可得到如下大涡模拟
的控制方程组:
∂u
i=0,(2)
∂xi
2
∂∂uuii∂p∂ui∂τij
+=−+++ufjνi,(3)
∂∂txjijjjρ∂∂∂∂xxxx
2
∂∂cc∂c∂Tj
+=uDj++Sc.(4)
∂∂txjjjj∂∂∂xxx

方程(2)是质量守恒方程.方程(3)