基于双尺度湍流模式的城市建筑形态对点源大气污染物扩散的影响研究

This study majoring on the atmospheric pollutants diffusion rules among urban building groups, improved the dual scale turbulence model for the buildings feature application. It provided accurate ideas for forming the quantitative relationship between urban building forms and atmospheric pollutants diffusion. The content of this research included in: (1) based on the multi-point simultaneous measurement of building with dual scale turbulence model, the turbulent energy in large vortex and small vortex levels of turbulent kinetic energy balance model spectrum was constructed. (2) with the above modified turbulence model, 3D GIS modeling technology, atmospheric dynamics, air pollution meteorology and urban ventilation science as the theoretical basis, the atmospheric dispersion mechanism of the interaction of urban buildings' formation with the particulate pollutants from the point source under various circumstances (static wind / uniform constant wind) was researched.

本研究针对城市建筑群间大气污染物扩散规律问题，研究并改进了双尺度湍流模式在建筑物壁面的特征化应用，为进一步研究城市建筑形态多样性与大气污染物扩散定量关系提供精准思路。本课题研究内容包括：（1）在双尺度湍流模式基础上，对建筑物壁面附近的湍流能级尺度进行测量，采用风洞实验，对建筑模型进行多点同时测量，得到湍流能量在大涡和小涡级别的湍动能能谱平衡模型，改进普通的k-ε二方程模式，为模拟建筑形态多样性对于点源大气污染物扩散效率影响提供更精准的科学思路。（2）基于上述改进湍流物理模型，采用现代GIS三维建模技术建立精细化城市建筑模型，以大气动力学、空气污染气象学、城市通风学为理论基础，研究固定气象场景（静风/匀速恒向风）下建筑形态多样性对点源大气污染物扩散的影响规律，提出对污染扩散有影响的建筑形态指标，建立形态指标和污染扩散指标之间的定量关系，解决“形态学在多大程度上能够促进污染物的扩散”问题。

本研究采用现代GIS三维建模技术建立精细化城市建筑模型，以大气动力学、空气污染气象学、城市通风学为理论基础，针对城市建筑群间大气污染物扩散规律问题，研究并改进了双尺度湍流模式在建筑物壁面的特征化应用。发现结论如下：（1）提出建筑物多孔介质单元的处理方法，建筑物空间多孔介质单元的气固两相流的耦合作用表达与数值模，分析基于多孔介质模型的建筑形态对城市空气质量的影响。（2）理论贡献方面，建立“映射局地风环境的城市建筑（群）形态量化指标体系”，涵盖建筑单体、街谷、建筑群的三维形态所涉及的33个指标，用于城市通风潜力研究与规划。（3）数值模采用高性能工作站驱动CFD软件可以模拟，在几何模型简化、物理模型简化以及边界条件近似的前提下，CFD模拟的5km*5km*0.6km的3500万网格的城市大气环境计算域与实际监测结果一致，可以用于模拟当点污染源排出进入大气以后，局部流速和空气中污染物浓度。结果反映，建筑单体，高度和长度对于流速、浓度场特征影响显著。相关系数在0.85以上。而建筑单体的宽度对流速、浓度场特征也有影响，但相关系数只有0.5左右。（4）建筑单体的几何形态与屋顶形态对于流速、浓度场特征皆有影响。不同几何形态建筑周围的流场会发生变化，而屋顶形态会影响屋顶周围的流场进而影响浓度场。（5）对于建筑群，建筑的重叠度，建筑排布数量，高宽比与建筑的流场，浓度场皆有深的形象，两者之间的相关系数达到了0.89以上。上述结果为解决“形态学在多大程度上能够促进污染物的扩散”问题提供了定量佐证，为推动微区域（水平范围在0.1km~1km）尺度的城市规划发展朝着大气环保的方向发展，即基于GIS和遥感技术的，面向大气环境“自调节”功能的城市布局规划和建筑群形态设计提供一个新靶标。