基于耦合气-固两相流和气溶胶动力学的数值计算方法在机动车排放细及超细颗粒湍流扩散过程中的研究

With the rapid economic development and the resulting fast growing urban vehicle population in China, traffic emission has become a major source of urban air pollution, containing a large amount of harmful particulate matter. In order to understand the complex behavior of vehicle exhaust plume, the objective of this project is to develop a gas-solid turbulent flow model coupled with aerosol dynamics to study the transport mechanism and evolution of size distribution of particles in both on-road and near-road environment. Based on our numerical model, the project proposes to quantitatively investigate physical parameters that affect the transport and transformation of traffic-related particulate matter from the tailpipe to the roadside environment. An inverse dispersion model will be developed to quantify the landscape and traffic design parameters needed to achieve ideal roadside air quality. The findings from this study is intended to reduce uncertainties from emission measurement techniques, develop effective emission control strategy, reduce pollution accumulation in street canyons, strategically develop transportation and city planning policies , and to achieve sustainable development.

随着我国经济的快速发展和城市规模的不断扩张,机动车保有量迅速上升, 随之带来了一系列的城市交通污染问题。机动车尾气排放中存在着大量有害健康的颗粒物，已成为城市空气污染的重要来源。针对机动车尾气烟羽的传输和转变的复杂过程，本项目通过建立基于耦合气-固两相流和气溶胶颗粒动力学的数值计算方法研究细及超细颗粒在道路和路边街道峡谷的传输机理、瞬态三维特征以及粒径分布的时空演变规律。在此基础上，研究将定量分析街道峡谷微环境中对机动车排放烟羽产生影响的物理变量，通过建立污染源逆向建模法研究实现理想道路环境空气质量所需要的城市交通设计参数。本项目的开展对降低排放测量技术所存在的不确定性、有效控制机动车尾气排放、减轻机动车排放污染物在街道峡谷的积聚、科学制定交通政策和城市规划方案以及实现可持续发展具有重要的理论意义和工程应用价值。

随着我国经济的快速发展和城市规模的不断扩张,机动车保有量迅速上升, 随之带来了一系列的城市交通污染问题。机动车尾气排放中存在着大量有害健康的颗粒物，已成为城市空气污染的重要来源。面对日益严峻的机动车尾气污染问题，本项目主要研究了以下内容: (1) 本项目通过数值计算方法研究了尾气排放污染物在道路环境中的传输机制及其非定常演变规律，探索了机动车尾气烟羽的非定常扩散过程，分析了尾气烟羽的三维动态分布及流场非定常特性。同时结合实验方法，发展了一种基于移动平台的跟车测量方法，定量研究了街道峡谷环境因素对汽车尾气湍流扩散的影响。 (2) 建立了耦合气-固两相湍流模型和气溶胶动力学的细及超细颗粒扩散模型，通过大涡模拟研究了湍流结构对气溶胶粒子演变过程的影响，结合多种道路测试技术验证了模型的正确性。同时，机动车座舱环境具有空间小、人员密度大以及空气质量差、悬浮颗粒物含量高等显著的特点，司机和乘客长时间暴露于高浓度的颗粒物环境当中。这种特殊的环境状态将会引起车舱内的空气质量问题，也将会对驾驶人员和乘客的健康造成不良影响。针对该问题，本项目研究了城市道路环境下车舱内环境中颗粒物浓度特征以及颗粒物传递机理。3）研究了污染源多场逆向建模的耦合策略与机理，将遗传算法与计算流体力学相结合对座舱环境、道路结构等城市交通关键参数进行了逆向优化设计。项目既有详细深入的基础研究，又有面向实际工程应用的研究，对降低排放测量技术所存在的不确定性、有效控制机动车尾气排放、科学制定交通政策和城市规划方案具有重要的理论意义和工程应用价值。在项目的资助下，共发表SCI论文19篇，其中JCR一区的高水平论文13篇，申请发明专利2项，其中已授权发明专利2项，培养博士研究生3名，硕士研究生4名。