时变来流条件下城市冠层风环境的大涡模拟方法研究

The turbulent coherent structure and pollutant interaction process inside the urban atmospheric boundary layer is very important to deeply understand the internal air flow and pollutant diffusion influenced by the real short time series of meteorological field..Aimed at the wind environment of tall buildings with high density, observation and numerical simulation methods are used in this project to develop the large eddy simulation (LES) method of the local scale wind environment under the real-time boundary conditions of meteorological field. Through the continuous LES simulation of micro scale atmospheric turbulence within the wind environment of tall buildings with high density under the short time series of meteorological conditions, the influence of meteorological factors and the layout of buildings will be investigated on the accumulation of atmospheric pollution and the pollutant diffusion mechanism. According to the simulation results of local scale wind environment, the coupling efficiency will be discriminated on the nested boundary conditions between different scales. Intended for the demand of wind environment design for city planning, such as building arrangement (aligned, or staggered) and the height of the building configuration, the duty ratio of high-rise buildings, and the relative positioning of high-rise buildings, the wind field prediction technology of local scale wind environment dynamic simulation will be developed in this project, to provide fine understanding and simulation analysis tool to improve the urban air environment quality.

真实短时间序列气象场下城市大气边界层内部的相干结构湍流以及污染物交互作用过程，对深刻理解城市内部空气流动及污染物扩散规律非常重要。本项目针对城市高密度建筑风环境，运用观测和数值模拟方法，重点研究城市冠层内局域尺度上实时边界条件空气流动高效大涡模拟方法，通过局域尺度边界短时间序列气象条件下高密度建筑环境的微尺度大气湍流的连续模拟，分析气象因素和建筑物布局对大气污染机理及污染物积累、动量扩散的影响；根据局域尺度建筑风环境的模拟结果，辨析耦合边界上嵌套边界条件的效能，为城市尺度气象模式的合理输出提供适当的判别方法。本项目面向风环境设计的城市规划分析需求，包括建筑物的排列方式（顺排、错排）与建筑物高度配置，高层建筑物的占空比、高层建筑物的相对位置等，实现开发城市发展和空间形态变化微尺度动态风场模拟预测技术目标，为改善城市人居环境质量提供精细理论与模拟分析工具。

真实短时间序列气象场下城市大气边界层内部的相干结构湍流以及污染物交互作用过程，对深刻理解城市内部空气流动及污染物扩散规律非常重要。本项目通过风洞实验与数值模拟相结合的研究方法，解决城市大气环境问题研究中的下垫面热力—阻力源参数化与时变来流风场的数值模拟问题。本文的研究成果主要包括：. 利用变频直通式风洞实现了阵风时变来流的边界条件，采用恒温热线风速仪系统Streamline CTA测量时变来流驱动的下游风场。通过流向速度的湍流脉动值的能谱分析，发现阵风时变来流下，下游风场边界层存在两种大尺度的湍流结构，即非常大尺度的运动（Very Large-scale motions, VLSMs）和阵风尺度的运动（Gust scale motions, GSMs）。GSMs的流向尺度和湍动能都远大于VLSMs；GSMs在稳定来流下不存在，只有来流呈现时变特征时，下游边界层才能检测到GSMs。. 基于OpenFOAM平台构建了适用于求解时变来流边界条件下非稳态流场的数值计算方法，即TimeVarying-SIMPLE Approach。将TimeVarying-SIMPLE Approach应用于时变来流边界条件的数值模拟研究表明，水平时变来流会破坏下游街谷建筑物屋顶附近流场的强剪切层，并引起街谷内主涡涡心的上下浮动和主涡尺度的压缩或膨胀；时变来流驱动下街谷内污染物的移除效率明显高于稳定来流。时变来流边界条件和非均匀建筑布局都会在一定程度上增强街谷内的气流宏观湍流强度，并改善街谷内污染物的移除效率，但是二者的综合作用并不是二者单独作用的简单线性叠加。. 基于城市大气运动驱动下城市冠层内大气运动的多尺度特征，城市下垫面热力-阻力源的参数化模型是解决城市冠层内多尺度大气运动高精度模拟的一种有效途径。在Belcher阻力源模型的基础上，通过数值分析回流面积以及有效粗糙密度，构建了建筑（群）的阻力源模型， 特别考虑了平均阻力系数在建筑（群）垂直方向上的变化。对于单体建筑物、不同布局和建筑间距的等高建筑群、不等高建筑群的数值模拟结果表明，本项目研究提出的阻力源模型参数化方案的数值模拟比Belcher阻力源模型的数值模拟更接近实体壁面模型的数值模拟结果，为城市规划提供了风环境分析工具。