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BSMPKU与OpenFOAM应用在北京某小区的模拟比较研究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-06 编辑:文学

1简介

随着城市化进程的推进,城市面积不断扩大,城市建筑面积正在向高层次,集约化方向发展。同时,城市人口的增加使人类活动产生的各种有毒气体和气溶胶大大改变了大气的组成。影响空气质量并导致严重的城市环境问题。另一方面,全球恐怖主义事件频繁发生,在人口稠密地区释放各种生化试剂和放射性试剂的后果令人担忧。研究表明,当高层建筑分布在狭窄街道的两侧时,会形成峡谷效应,使污染物难以扩散,建筑面积增加建筑物的高度会大大降低街道的扩散能力。因此,了解污染物在实际市区中的扩散特性具有重要的现实意义,对城市规划和应急预警具有一定的参考价值。

有几种方法研究城市街区规模内的流场和扩散问题:外场实验,风洞实验,计算流体动力学(CFD)模式模拟。

现场实验始于1970年代。通过这种方法,可以在真实的大气条件下获得城市街区的流场和扩散。 DePaul等。在不同的宽高比谷中测量风场,发现当风速超过一定值时,在谷中形成涡旋。斯坦等。监测了阿根廷某城市某些街区的CO排放并将其与模型仿真的结果进行了比较。麦克唐纳德等。观察到,当污染物在建筑物阵列的上风侧释放时,发现污染物的浓度分布与高斯扩散模式一致。

与现场实验相比,风洞实验的实验条件易于控制,成本较低。自1980年代后期以来,风洞实验已用于模拟大气和污染物的扩散。国内外学者通过风洞实验发现,山谷中污染物的扩散取决于山谷的几何形状和污染源的位置。一些研究比较了风洞和野外实验,指出两者之间的差异主要来自真实大气的风向变化和大尺度湍流对野外实验的影响。

2模式和数据简介

2.1 BSMPKU

BSMPKU分为两个子模式:第一个子模式是在适当边界条件下,基于稳态RANS方程耦合标准kε湍流模型的CFD模式的街道规模风场预测模型。第二子模式用于计算市区的风场和湍流场。第二个子模式是欧拉扩散模型。根据给定的源强度数据和CFD计算获得风场和湍流场,从而解决了不稳定的雷诺问题。平均输运方程获得浓度场。

RANS方程是通过对Navier-Stokes方程进行雷诺时间平均分解而获得的。通常,大气运动的雷诺数很大,粘性项可以忽略。同时,考虑到污染物的浓度低,它不会显着影响空气密度,并且假定流体流动状态不受浓度分布的影响。

2.2 OpenFOAM

OpenFOAM(开放源代码现场操作和操纵)是Linux平台上基于C ++的面向对象的计算流体动力学软件包。它带有一系列用于求解连续力学问题的求解器。可以在以下网站上找到有关OpenFOAM的更多信息:

本研究中使用的OpenFOAM版本为2.1.1。求解器是简单的泡沫。 SimpleFoam是OpenFOAM中稳定不可压缩流(层流或RAS湍流)的求解器。求解器求解的基本方程与BSMPKU模型中的基本方程一致。 OpenFOAM使用有限体积法离散控制方程。用于压力-速度耦合的简单算法为BSMPKU。

2.3风洞测试数据

在1990年代,R.S。汤普森(Thompson)收集了一系列有关长方体建筑物在美国环境保护局风洞中扩散的实验数据。该数据集系统地涵盖了不同建筑物形状,不同排放源高度和位置的风洞实验。 2006年,丹麦国家环境保护研究所的一个团队使用汤普森(Thompson)数据集来评估存在建筑物时某些扩散模型的仿真能力。这些模型包括OML(操作气象学模型),AERMOD/PRIME(具有羽状上升模型的美国气象学会/环境保护局管制模型)和MISKAM(微观气候和分散模型)。

下一项研究将基于丹麦科学家2006年使用的Thompson数据和基于高斯扩散理论的AERMOD仿真数据,并与BSMPKU和OpenFOAM的仿真结果进行比较,以验证BSMPKU模型的可靠性。应当指出,丹麦科学家汇编的汤普森数据和扩散模型模拟数据仅包含无量纲的浓度数据。

3仿真结果与分析

3.1根据汤普森数据集进行比较验证

在此测试中,我们将主要研究当源在风前时三种不同宽度的建筑物对扩散过程的影响。测试中使用的风洞数据是在长度为18 m,宽度为3.7 m,高度为2.1 m,模拟比例为10 0 1778 200的风洞中获得的。风洞中的三座建筑物具有长度和高度分别为0.15m和H(H=0.15m),2H和4H。排放源位于距建筑物上风侧2H处,高度为0.5H(x)。/H? 2,y/H? 0,z/H? 0.5),建筑物附近的网格和源的位置如图1所示。两种模式的模拟面积为6m×3m×1.3m;建筑物中模拟区域的水平网格距离为0.015m,水平网格距离逐渐增大,至模拟区域边界的网格距离为0.15m。垂直方向为45层,上下距离分别为0.01m,0.03m和0.075m。模型仿真的扩散时间积分步骤为10-3s。经过一系列的灵敏度测试后,当浓度场稳定时便获得了积分步骤。这大约是5,000步,因此此测试中设置的模拟模拟步数为7000步。

3.2复杂建筑物的理想数值模拟试验

在上一节中,通过与汤普森风洞实验数据集进行比较,验证了BSMPKU和OpenFOAM两种模式的可靠性。在本节中,我们将这两种模式应用于高分辨率的现实世界中的复杂建筑网格,在理想边界条件下模拟复杂建筑群中的大气运动状态,并模拟交通源的短期扩散。中关村是中国知识和知识资源最密集的地区,其重要性不言而喻。因此,我们选择中关村地区作为研究区域,并选择假设的交通来源作为案例研究。

4结果与讨论

本文使用Thommpson数据集来验证BSMPKU和OpenFOAM的两种模式。结果表明,OpenFOAM和BSMPKU两种CFD模式的流场和浓度场都比较接近,并且逼真地再现了建筑物周围的流场。和浓度场。然后,我们将BSMPKU和OpenFOAM模式应用于高分辨率的现实世界复杂建筑网格,在理想边界条件下模拟复杂建筑群中的大气运动状态,并模拟三种交通源的短时扩散。模拟测试结果表明,在建筑物群中,风向和风速随建筑物的布置而变化很大;当建筑物分布更加复杂时,建筑物群中近地表污染物的浓度分布会受到线源位置的影响。并且线源的方向有很大的影响。当线源穿过人口稠密的区域时,由于建筑物组的屏蔽作用,地面附近的风速小,不利于扩散,并且建筑物组中形成大量的封闭循环。这些闭环将引导污染物聚集在建筑物附近,从而造成严重的局部污染。 BSMPKU和OpenFOAM都可以更好地模拟实际城市流场和集中场的上述特征。两种模型之间的主要区别主要体现在建筑区域的边界上。

最后要指出的是,本研究没有将BSMPKU和OpenFOAM在实际市区中的模拟结果与实际观测数据进行比较,而是获得了合理的流场和污染物浓度场的分布。此外,BSMPKU和OpenFOAM在不同地区的不同气象条件下的适用性还需要更多的实例进行验证,但是可以肯定的是,这两个模型都具有一定的模拟和预测复杂城市污染物扩散过程的能力。

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