雾霾环境下城市机动车污染物扩散的时空动态特性研究

Due to the combined influence between the large amount of harmful substances floating in the air and special weather condition, atmospheric haze is formed as a result. This project is focused on the diffusion of pollutants from urban vehicles and would make a deep analysis on influence factors and action mechanism of pollutants' dispersion. Through actual observation for urban traffic flow and traffic simulation, the spatial and temporal distribution model for pollutants' source strength is built. On the basis of the model, the numerical simulation scenarios in different space structure will be put forward with physical model for elevated road system, surface road with green belt and underground parking, according to the geometrical characteristics of the urban layout. These numerical scenarios contain the research on the space-time distribution characteristics of flow field in computational domain and pollutants' concentration field, when dynamic factors, such as speed and direction of wind and pollutants' source strength, and static factors change. With CFD numerical simulation method, we will study the influence of different bus lane for inhalable particulate matter's diffusion in street canyon, the space-time distribution characteristics for inhalable particulate matter's dispersion will be obtained when dynamic factors change, such as speed and direction of wind and pollutants' source strength. This result have a significant effect on promoting the vehicle pollutants' dispersion model and relatively theory, leading urban road design and architectural planning in the future and improving the urban air quality.

雾霾天气的形成主要是空气中悬浮的大量有害物质和气象条件共同作用的结果。本项目关注城市机动车污染物的扩散问题，深入剖析污染物扩散的影响因素和作用机理。通过开展城市交通流的实际观测，利用交通仿真手段，建立污染物源强的时空分布模型。在此基础上，根据城市布局的几何特征，抽象出高架路系统、含绿化带的地面道路和地下停车场的物理模型，建立不同空间结构下城市机动车污染物扩散的数值模拟方案，研究各种静态因素和风速风向、污染物源强等动态因素变化时计算区域内的流场与污染物浓度场的时空分布特性。利用CFD数值模拟手段，研究不同的公交专用道设置对街道峡谷内可吸入颗粒物扩散的影响，得到风速风向和源强分布等动态因素变化时可吸入颗粒物扩散的时空分布特性。研究结果对于完善机动车污染物扩散的模型与相关理论，指导未来城市道路设计与建筑规划，提升城市空气质量具有重要意义。

本项目通过开展交通流实测和污染物浓度监测，建立了符合实际交通流特点的污染物源强分布模型。在此基础上，对城市高架路系统、绿化带、地下停车场、城市公交站台和公交车内微环境等进行研究，建立了多空间维度下的污染物扩散模型，分析了各种静态和动态因素对污染物扩散造成的影响，数值模拟得到了城市机动车污染物扩散的时空动态分布特性。目前已发表学术论文18篇，其中11篇和4篇分别被SCI和EI检索。项目组成员参加国内学术会议6次，国际学术会议4次。目前有5名硕士研究生毕业，有5名硕士研究生在读。.项目取得了预期的研究成果。主要内容包括：（1）针对城市街道峡谷，研究了道路绿化带的树冠高度和宽度、绿化带布置方式、树间距等因素变化时，对气态污染物扩散分布的影响。同时对不同粒径颗粒物在有绿化带街道峡谷内的扩散分布情况进行了对比分析，并探究了不同风速的影响。（2）运用离散相模型和数值模拟方法，研究了高架路高度和宽度、分离式高架中间空隙、街谷高宽比、线源位置、风速等因素变化时对街谷内颗粒物扩散分布的影响。（3）针对地下停车场开展了交通流和污染物浓度的实地观测，计算得到了通风量。自然通风条件下，研究了地下停车场立柱阵列和入口风速等因素对内部气流组织和污染物扩散的影响；机械通风条件下，得到了不同通风方式下停车场内部的速度场、温度场和CO浓度场，并进行了方案比较和分析。（4）采用数值模拟方法，研究了风速、风向、公交车停靠位置、公交车排气管位置、停靠车辆数等因素对城市公交站台CO浓度分布和乘客暴露水平的影响。利用动网格技术，研究了公交车进出站过程CO浓度的变化情况，分析了怠速停靠时间、排气管位置和环境侧风的影响。（5）针对空调公交车内的颗粒物及乘客舒适性问题开展问卷调查、实地观测和数值模拟研究，得到了公交车内的速度场、温度场、颗粒物浓度场和气态污染物浓度场的分布情况。通过改变车厢几何构造、送风量和送风角度等，改善了车内的污染现状和乘客的舒适性感受。（6）针对交通仿真的需求，结合现实交通条件，对交通流宏观模型和微观模型进行了优化，并对优化后模型开展稳定性分析、线性分析和数值模拟，使之更加符合实际交通的运行环境和条件。.本项目研究成果对于完善机动车污染物扩散的模型与相关理论，指导未来城市高架路、绿化带、地下空间和公交站台的规划设计，减少机动车污染对城市居民身体健康的危害，具有重要的理论价值和现实意义。