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www.scichina.comphys.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS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①①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1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