环境风与强热浮力耦合驱动下城市冠层街谷内流场及污染物扩散行为研究

在城市冠层街谷内存在燃烧强热浮力源这一特殊条件下，街谷内的流场结构及污染物扩散具有不同于常规无热浮力源及日光均匀加热地面条件下的行为模式及特征。本项目拟通过研究，阐析环境风与强热浮力耦合驱动下城市冠层街谷内的大气流场特性及污染物扩散行为：.（1）耦合分析城市冠层街谷内强热浮力驱动流与无热浮力源时的自然大涡旋流之间的相互作用及平衡态，揭示环境风与热浮力耦合驱动下单个及连续多个街谷内的流场结构模式及特征；.（2）获得环境风与热浮力耦合驱动下污染物浓度在单个及连续多个街谷内的空间分布规律，获得街谷内热浮力驱动上升污染物被环境风所产生的大涡旋效应卷吸回街谷地面的临界条件。.当前有关城市冠层街谷内流场及污染物扩散特性的研究均没有考虑强热浮力源效应，本项目研究有助于弥补传统理论在该特殊条件下的不足，对于科学设计街谷内大尺度火灾极端自然灾害条件下城市污染物扩散的应急响应与决策，也具有参考价值。

项目通过理论分析、结合缩尺寸实验研究以及数值模拟，圆满完成了既定研究内容和目标：.（1）在城市污染源热浮力强度表征与演化行为特征方面：对大尺度火灾强热浮力驱动羽流中心线温度衰减特性经典模型进行了验证和修正；揭示了城市高层建筑火灾所释放的外壁面开口污染物羽流在竖向空间内的扩散特性，及其温度、上升速度等动力学参数的演化特性；揭示了城市建筑内火灾从外壁面释放的污染物羽流、以及街谷地面火灾的污染物羽流在开放空间的火焰高度、温度参数（代表浮力驱动力强度）的演化特征； .（2）在热浮力驱动流与大涡旋之间的相互作用及平衡态表征及热浮力驱动污染物被卷吸回街谷地面的临界条件方面：对CFD数值计算软件FDS中的燃烧模型中CO污染物生成模型进行了验证；开展了街谷内流场及污染物扩散特性的CFD数值模拟研究，获得单个及连续街谷内强热浮力驱动流场模式特征；揭示了环境风作用下大涡旋流的惯性力与热浮力驱动力之间的相互作用及平衡态，建立了两者之间耦合的无量纲Froude数模型；基于Froude数无量纲分析，研究了街谷楼房火灾溢出污染物以及不同建筑物高度街谷内车辆火灾情况下污染物温度场、CO浓度场的分布规律；揭示了城市不同宽高比街谷街道内车辆火灾情况下污染物温度场、CO浓度场的分布规律，建立了火灾强热浮力驱动烟气污染物被卷吸回街谷的临界风速，跟污染源热浮力强度和街谷建筑高度、街谷宽高比之间的关联关系模型，并获得了相应的临界Froude数；.（3）在城市冠层内热浮力驱动污染物在建筑绕流作用下以及在连续街谷间的扩散特征方面：揭示了环境风建筑绕流作用下热浮力源的火焰分岔等特殊行为特征；分析了城市冠层连续街谷内车辆火灾烟气污染物在环境风作用下被卷吸到相邻街谷的温度场、CO浓度场分布规律，揭示了火灾强热浮力驱动烟气污染物被卷吸到相邻街谷的临界风速随街谷建筑物高度差的变化规律。.项目圆满完成了预定的研究目标和成果指标：共发表学术论文10篇，其中在Journal of Hazardous Materials, International Journal of Heat and Mass Transfer, Journal of Civil Engineering and Management, Fire Safety Journal等发表SCI论文7篇，EI论文3篇，授权发明专利3项，培养博士生2人，硕士生2人。