不同湍流机制对街谷污染物的耦合作用机理

不同湍流机制对街谷污染物的耦合作用机理

论文摘要

建筑外环境空气污染是严重威胁人类生存健康的大问题。然而,由于大气流动与建筑物之间的复杂相互作用,使得交通污染物的扩散机理一直是一个较为困难的科研主题。城市交通污染物的扩散主要受湍流的影响。湍流引起的涡流是造成质量、能量、动量交换的关键因素。而湍流的产生主要有环境风、太阳辐射产生的热浮力以及车辆移动引起的机械湍流。目前研究主要集中于环境风及太阳辐射产生的热浮力的影响,而对车辆移动产生的机械湍流的影响分析较少,对三者耦合影响的研究目前还处于空白。论文以典型的城市理想街谷为研究对象,利用计算流体动力学(CFD)动态网格更新技术首先对车辆移动产生的机械湍流特性进行了数值分析;然后建立环境风、太阳辐射、车流诱导的多因素耦合作用下,城市街谷环境内流体流动、传热以及污染物传播的耦合数学模型,计算城市街谷环境中的流场和污染物浓度场分布;最后建立了三种不同的机动车模型,对车型及风向对车辆移动产生的湍动能(TKE)特性进行了分析。主要结果如下:车辆移动时,湍动能主要分布在车辆后方,车身周围湍动能的大小远远超过车辆静止时的情况;行驶速度对湍动能有显著影响,当行驶速度为15m/s时,其尾部附近的湍动能约为10m/s时的1.8倍,是5m/s时的6.3倍;与车辆静止情况(V=0 m/s)相比,车辆移动引起的湍流在呼吸高度处将CO浓度降低约4%。在弱风环境下,背风侧加热,地面加热对污染物的扩散都是有利的。地面加热对污染物的扩散作用大于背风侧加热。而迎风侧加热却使得污染物的浓度升高。车辆的运动使得污染物的平均浓度降低了约4%;在中等风速及高风速作用下,迎风面加热这一不利影响的作用减小。车辆移动对污染物的作用也变得不再显著。通过对小轿车、SUV、卡车的分析,发现车辆外形对湍动能的产生有着重要影响。卡车引起的湍动能最大,小汽车由于外形更加趋于流线形,行驶过程中产生的湍动能最小。当风向与车行驶方向一致时(0°风向),车尾流区产生的湍动能最小;当风向与车辆行驶方向相反时(180°风向),车尾流区产生的湍动能最大,而且湍动能分布范围最长。90°风向下湍动能大小介于0°和180°之间。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 主要符号表
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •     1.1.1 城市机动车污染问题由来
  •     1.1.2 机动车尾气污染的危害
  •     1.1.3 影响城市街谷污染物扩散的湍流因素
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 城市空气污染研究的多尺度流动问题
  •     1.2.2 街道峡谷问题研究的由来
  •     1.2.3 环境风产生的湍流对街谷污染物扩散的影响研究
  •     1.2.4 太阳辐射热效应对街谷污染物扩散的影响研究
  •     1.2.5 车辆移动产生的机械湍流对污染物扩散的影响研究
  •   1.3 课题主要研究内容及意义
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 课题的意义
  •     1.3.3 本论文研究框架
  •   1.4 本章小结
  • 第2章 理论基础及研究方法
  •   2.1 数值模拟理论基础
  •     2.1.1 计算流体动力学简介
  •     2.1.2 控制方程离散方法
  •     2.1.3 湍流模型分类
  •   2.2 本文研究模型描述与数值方法
  •     2.2.1 基本几何模型的确立
  •     2.2.2 湍流求解方法的选取
  •     2.2.3 街谷内流体流动、传热、传质的数学模型
  •   2.3 环境风设置方法
  •   2.4 太阳辐射的设置方法
  •   2.5 FLUENT动网格技术简介及应用
  •   2.6 本章小结
  • 第3章 车辆移动对污染物扩散的影响
  •   3.1 模型描述
  •     3.1.1 几何模型
  •     3.1.2 边界条件
  •     3.1.3 网格划分及独立性验证
  •   3.2 模型验证
  •   3.3 结果分析
  •     3.3.1 车辆移动过程中速度场分布特性
  •     3.3.2 车辆行驶速度对湍动能特性影响
  •     3.3.3 车辆移动产生机械湍流对污染物浓度的影响
  •   3.4 本章小结
  • 第4章 不同湍流机制耦合作用对污染物扩散的影响
  •   4.1 计算案例描述及设置
  •   4.2 结果与讨论
  •     4.2.1 单一因素作用下污染物的扩散特性
  •     4.2.2 不同湍流机制耦合作用下污染物扩散特性
  •   4.3 本章小结
  • 第5章 不同车型产生的湍动能特性分析
  •   5.1 模型描述
  •   5.2 结果与分析
  •     5.2.1 运动过程特性
  •     5.2.2 不同车型的影响
  •     5.2.3 不同风向的影响
  •   5.3 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  •   6.1 论文总结
  •   6.2 未来研究展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录 A 作者攻读硕士期间取得的成果
  • 附录 B 作者攻读硕士学位期间参与导师的科研项目
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 方炜杰

    导师: 明廷臻

    关键词: 街道峡谷,数值模拟,动网格技术,湍流机制,耦合影响

    来源: 武汉理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 气象学,环境科学与资源利用

    单位: 武汉理工大学

    分类号: X169

    DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000172

    总页数: 80

    文件大小: 4051K

    下载量: 27

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