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原文传递基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究

论文题名：	基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究
关键词：	城市滨江大道;风环境;数值模拟;城市道路规划;城市污染控制;多孔介质模型
摘要：	目前，对于城市道路交通产生的环境问题，大都以整个城市为宏观目标来考察，研究停留在污染源数量控制，减少出行，燃料更新、机动车尾气治理对策研究等方面。2002年，建设部部长汪光焘提出交通容量和环境容量应结合考虑，但对于如何通过建筑密度的调整、建筑高差的改变、城市道路交通设施的建设等来优化环境、控制污染的研究仍处在探索阶段，采用数值方法深入、详细地分析城市滨江大道风环境，国内外尚未见报导。针对这一现状，论文基于多孔介质模型对城市滨江大道风环境进行数值模拟研究，提出城市滨江大道可持续发展规划的有关协调判据、协调模型、定量指标等理论和方法。全文共五章，研究的主要内容有： (1)、针对市政道路两侧构筑物多，计算工作量大的特点，本文以计算机模拟作为最佳化设计工具，对市政道路两侧的众多建筑、道路进行参数化处理，扩展设计条件范围，将市政道路及两厢建筑群考虑成具有动量汇的多孔介质，并在此基础上对其进行网格划分，并结合大气边界层风速对数廓线分布规律，开发了外部接口程序，建立了城市滨江大道风环境的数值模拟模型。 (2)、突破以往以污染源数量控制，燃料更新研究的局限性，首次将城市滨江大道风环境视为与城市道路交通设施的建设、城市布局的调整、空气流动、辐射强度及建筑群、污染源等因素有关的动态系统，对城市滨江大道风环境进行了系统定量分析。 (3)、用本文建立的城市滨江大道风环境的数值模拟模型，经过反复模拟计算，从模拟仿真结果中提炼出能充分反映不同流速、来流角度、建筑高度、建筑密度、污染物浓度、街道布局等规划方案中城市滨江大道风环境气流组织数值模拟结果，建立了一套正确的城市滨江大道风环境数值模拟基本计算方法。并使解析结果：某城市滨江大道空气温度、风速、有害气体浓度分布等更直观地展示给用户，利于非专业人士通过形象的图形和动画等了解城市滨江大道风环境状况，为其进行决策提供明确的结论和科学指导依据。从本文数值模拟得到的速度场、温度场、耗散率分布、湍动能分布、浓度场来看： ①随着来流速度的增加城市滨江大道污染物的浓度扩散得到加强； ②近地面汽车尾气在大气中的扩散速率在高风速下明显要比低风速快； ③当风速方向与街道方向一致时，即城市主干道与当地盛行风向平行时，可提高道路汽车排放污染物的扩散能力，污染浓度降低，但污染物在街道的下风向累积严重，不利于污染物的局部扩散，造成局部地区的浓度值严重超标。当风速方向与街道方向呈90°夹角的时候，污染物局部扩散得到明显改善，但是它对沿着街道周围建筑群的影响范围变大，不易造成局部的浓度超标。另外，在斜交风作用下，街道内的污染物浓度虽然是由平行风与正交风共同作用的结果，却并不是简单的叠加。因此，在城市复杂的地形及建筑物的影响下，汽车排放污染模式不能采用简单的投影原理。 ④建筑群的高度对污染物浓度扩散影响显著，随着建筑群高度的增加，污染物浓度随着高度变化总体趋势减小。建筑群高度在6m～10m变化时(高度变化约67％)，浓度值变化不大，最大约为8％。但是当建筑群高度从10m变化到20m时(高度变化约100％)，浓度值变化相对较大，最大约为24％。市区高层建筑物对城市汽车排放污染物的扩散极其不利。因此，必须严格控制城市道路污染物的排放量，当污染有害物浓度超出大气环境质量标准时，必须限制本地街道的车流密度这一可能重新形成环境超标的“软”瓶颈，这对于城市道路交通规划与管理是一个非常重要的问题。 ⑤建筑密度对污染物浓度扩散影响也十分明显，随着建筑密度增大，污染物浓度值增大。在高度Y=6.0m时，建筑密度为60％与建筑密度为40％相比，浓度最大值(近地面处)增大了10.6％，而与建筑密度为20％相比，浓度变化增大了26.6％。对于其它高度时的情况与Y=6.0m时的情况基本一致。 ⑥不同污染物浓度扩散影响进行分析，结果表明当污染源强增大或者减小时，各个位置上的污染物浓度呈线性变化关系。对不同街道宽度污染物浓度进行分析，分别考虑了街道宽度增加时的两种情况：a单位体积污染源源强不改变；b污染源总量不变。发现当污染源源强不变时，污染物浓度增大；污染总量不变时，污染物浓度减小。数值模拟结果符合一般物理规律，说明本文基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究是正确的。 (4)、将风洞测试流场实验结果和数值模拟结果进行比较，比较结果表明：两者在速度场和耗散率场上吻合较为一致，在湍动能场差别也仍在可接受的范围内。进一步验证了本文基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究的正确性。基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究为今后工程建设建筑高度、建筑密度等的政策控制提供了设计依据；为选择合理的建筑、街道布局设计提供可靠保证；为开发出一套“城市滨江大道风环境”设计软件包打下基础。可以发展在本质上加深对城市滨江大道风环境变化客观规律的认识。项目研究对我国国民经济和社会的可持续发展将作出一定的贡献.
作者：	张楠
专业：	市政工程
导师：	刘宝琛
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文