時變來流條件下城市冠層風環境的大渦模擬方法研究

《時變來流條件下城市冠層風環境的大渦模擬方法研究》是依託西安交通大學，由顧兆林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：時變來流條件下城市冠層風環境的大渦模擬方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：顧兆林
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

真實短時間序列氣象場下城市大氣邊界層內部的相干結構湍流以及污染物互動作用過程，對深刻理解城市內部空氣流動及污染物擴散規律非常重要。本項目針對城市高密度建築風環境，運用觀測和數值模擬方法，重點研究城市冠層內局域尺度上實時邊界條件空氣流動高效大渦模擬方法，通過局域尺度邊界短時間序列氣象條件下高密度建築環境的微尺度大氣湍流的連續模擬，分析氣象因素和建築物布局對大氣污染機理及污染物積累、動量擴散的影響；根據局域尺度建築風環境的模擬結果，辨析耦合邊界上嵌套邊界條件的效能，為城市尺度氣象模式的合理輸出提供適當的判別方法。本項目面向風環境設計的城市規劃分析需求，包括建築物的排列方式（順排、錯排）與建築物高度配置，高層建築物的占空比、高層建築物的相對位置等，實現開發城市發展和空間形態變化微尺度動態風場模擬預測技術目標，為改善城市人居環境質量提供精細理論與模擬分析工具。

結題摘要

真實短時間序列氣象場下城市大氣邊界層內部的相干結構湍流以及污染物互動作用過程，對深刻理解城市內部空氣流動及污染物擴散規律非常重要。本項目通過風洞實驗與數值模擬相結合的研究方法，解決城市大氣環境問題研究中的下墊面熱力—阻力源參數化與時變來流風場的數值模擬問題。本文的研究成果主要包括： 利用變頻直通式風洞實現了陣風時變來流的邊界條件，採用恆溫熱線風速儀系統Streamline CTA測量時變來流驅動的下游風場。通過流向速度的湍流脈動值的能譜分析，發現陣風時變來流下，下游風場邊界層存在兩種大尺度的湍流結構，即非常大尺度的運動（Very Large-scale motions, VLSMs）和陣風尺度的運動（Gust scale motions, GSMs）。GSMs的流向尺度和湍動能都遠大於VLSMs；GSMs在穩定來流下不存在，只有來流呈現時變特徵時，下游邊界層才能檢測到GSMs。 基於OpenFOAM平台構建了適用於求解時變來流邊界條件下非穩態流場的數值計算方法，即TimeVarying-SIMPLE Approach。將TimeVarying-SIMPLE Approach套用於時變來流邊界條件的數值模擬研究表明，水平時變來流會破壞下遊街谷建築物屋頂附近流場的強剪下層，並引起街谷內主渦渦心的上下浮動和主渦尺度的壓縮或膨脹；時變來流驅動下街谷內污染物的移除效率明顯高於穩定來流。時變來流邊界條件和非均勻建築布局都會在一定程度上增強街谷內的氣流巨觀湍流強度，並改善街谷內污染物的移除效率，但是二者的綜合作用並不是二者單獨作用的簡單線性疊加。 基於城市大氣運動驅動下城市冠層內大氣運動的多尺度特徵，城市下墊面熱力-阻力源的參數化模型是解決城市冠層內多尺度大氣運動高精度模擬的一種有效途徑。在Belcher阻力源模型的基礎上，通過數值分析回流面積以及有效粗糙密度，構建了建築（群）的阻力源模型， 特別考慮了平均阻力係數在建築（群）垂直方向上的變化。對於單體建築物、不同布局和建築間距的等高建築群、不等高建築群的數值模擬結果表明，本項目研究提出的阻力源模型參數化方案的數值模擬比Belcher阻力源模型的數值模擬更接近實體壁面模型的數值模擬結果，為城市規劃提供了風環境分析工具。