场协同原理在城市街谷污染物扩散和调控中的应用开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

伴随着社会的发展，我国各地区城市化进度的加快，城市内机动车保有量在不可避免的持续增长，而其带来的负面影响就是机动车尾气对大气的污染现象越来越严重。资料显示，近年来机动车排放的尾气已成为许多大中城市大气污染的主要来源。同时城市内高层建筑不断增多，形成了众多街道峡谷。街道峡谷的概念，最早由nicholson提出来，它是指两侧具有连续高大建筑物的狭长街道。后来街道峡谷这一概念被中国学者王宝明等进行了扩展，即使街道两旁的建筑物高低不平，不连续甚至有一定的缺口也可称作街道峡谷。由于街道峡谷的特殊结构，在其内部经常会形成特定的流场，这在很大程度上决定了汽车尾气的街道峡谷分布和向外扩散状况。

目前，已经做了关于街道峡谷内污染物传输扩散问题的诸多研究，许多因素都被列入了讨论范围并得出了一定的结论结果，不过可以看出关于街道峡谷的研究还没有到足够深入的阶段，许多规律还需要进一步探究和补充。近年来，随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展，数值模拟成为研究街道峡谷内污染物对流扩散规律的重要方法之一。考虑到街道峡谷内污染气体发生光化学反应，街道的几何结构布局、阳光照射的热效应、环境风速风向以及道路机动车排放强度等因素在影响街道峡谷内外气体交换和污染物传输分布的同时，又会对光化学反应的进行和反应平衡状态产生不可预知的影响，而这些综合因素最终又将决定街道峡谷内部污染物的危害程度及不同组分的浓度分布。但就研究资料显示，以对大气中复杂成分的污染物所发生的耦合反应为目标的的研究并不多，针对这一问题的研究还并不充分，尚处在起步阶段，许多结论还等待着被补充。因此，将着重研究街道峡谷中机动车尾气所带来的多种污染物的耦合化学反应的数值模拟传输扩散特征作为研究课题，，用以更好的解释污染物在城市街道中的扩散规律。

由于城市居民不可避免地暴露于交通污染物污染的环境中，因此研究城市街道峡谷内污染物的扩散和分布情况，对于评价和预测机动车尾气污染物的程度，对改善居民生活质量、建设环境友好型城市具有重要意义。同时能够为应对雾疆并提出有效措施打下一定的理论基础。

2. 研究的基本内容与方案

城市街道峡谷中积聚的机动车排放污染物所含组分并非在空气中稳定存在，及等污染物会在日照辐射条件下发生反应生成臭氧、甲醛、酮等对人体健康有害的所谓二次污染物，并容易产生光化学烟雾。研究光化学反应对街道峡谷内空气污染产生的影响，也是当今的热门课题。在受到机动车排放污染的空气中含有HC、NO_X、CO以及其他二次生成物如醛、酮等诸多物质，这些物质互为反应生成物，交织成网状的化学反应结构。有多种不同的相关化学反应机制模型可用于街道峡谷内气体物质反应的研究，常用的包括碳键机制、Chemical Box模型等以及其他的一些简化机制。

基于这些机制，Baker采用简单的NO-NO2-O3反应机理来研究街道峡谷中光化学反应对污染物浓度分布产生的影响，并定义了光化学稳态系数来表征流场不同区域的气体组分扩散对流激烈程度,以此来模拟街道峡谷中反应性污染物的传输扩散特征。幸鸿等将机动车尾气排放模型与微观交通仿真相结合，对街道峡谷内污染物扩散情况进行了三维计算模拟，结果显示机动车排放的 NOx 及 HC 等污染物会在日照辐射条件下发生反应生成臭氧、甲醛及酮等对人体健康有害的二次污染物。Gu 等通过数值模拟发现两侧建筑物高度不平整的街道峡谷内部和外部的空气对流交换速率更快，有利于改善城市区域的污染物扩散。Kwak用CBM-IV机理探究了街道峡谷活性污染物的传播扩散特征，分析讨论各种污染物质的分布特征以及一些重要物质如O₃和NO_X的变化规律。朱中伟用数值模拟方法对城市街道峡谷内的机动车排放活性污染物扩散进行了研究，并分析了机动车排放中的 NO_X 与大气中的臭氧在太阳辐射的环境下发生的光化学反应对街道峡谷内污染物传输、扩散以及分布产生的影响。

Leung采用简单的NO-NO2-O3反应机理，并使用数值模拟的方法研究了建筑纵横比、日供热、风速对城市街道峡谷反应性污染物扩散的影响。Baik利用CFD模拟研究了氮氧化物和VOC排放对街道峡谷及其上方反应性污染物扩散的影响。

3. 研究计划与安排

本课题采用Navier-Stokes方程来进行的数值模拟计算数值模拟的方法，通过商业软件Fluent15.0来对在街道峡谷中污染物的耦合化学反应的迁移弥散状况进行模拟，模型的建立与网格划分则采用Fluent的前处理软件ICEM CFD完成。具体原因有三，一是Fluent是当前商用软件中包含算法最多的软件，涵括非耦合隐式算法、耦合隐式算法和耦合显示算法三种；二是软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成，十分简便；三是软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。之后综合考虑简便性、泛用性等条件。

在环境配置完成后即可进行数值模拟的工作。工作内容主要分为四部分：一、对计算域的几何模型进行设定，即预处理阶段。主要内容包括几何模型的建立、网格划分、边界条件以及初始条件设定和数学模型的设定等；二、模拟阶段。该阶段中在Fluent软件中一些参数进行设定，然后开始进行对本模型的数值模拟，记录模拟过程；三、整理分析阶段。该阶段主要以Fluent所导出的数据为依据，运用Tecplot后处理软件对其进行分析；四、结果讨论及分析，将模拟计算得到的结果进行讨论及分子，给出模拟结果一个合理的解释。

在模拟阶段，首先需要对区域进行建立街道峡谷基础模型以及网格划分等工作。本课题为求模拟耦合化学反应污染物的迁移情况，但出于简便性考虑，在模拟初期的边界条件设置阶段中，并不考虑耦合反应，而是直接将不同组分的污染物设入条件中，使污染物在初始几何结构中均匀分布，并在后续的模拟设置中再为其加上化学反应使其充分反应，这样可以通过充分利用Fluent软件的优点，在不影响模拟结果的前提下尽可能减少模拟操作，以保证课题的顺利进行。

4. 参考文献（12篇以上）

1、朱中伟, 谢晓敏, 黄震. 日光照射下城市街道峡谷内活性污染物扩散的数值研究[j]. 水动力学研究与进展a辑, 2013, 28(2):159-166.

2、朱中伟. 城市街道峡谷内机动车排放活性污染物扩散研究[d]. 上海交通大学, 2013.

3、gu z l, zhang y w, cheng y, et al. effect of uneven buildinglayout on air flow and pollutant dispersion in non-uniform street canyons[j].building environment, 2011, 46(12):2657-2665.