复杂城市街谷环境中污染物传播规律及多场协同机理研究

The densification of urban high-rise building and multidimensional traffic system make the urban street environment increasingly complex, the influence of street canyon atmospheric pollutants superimposed vehicle exhaust is becoming more pronounced. Effectively alleviating the air pollution has significant effect on the urban residents’ health, but it is necessary to take into account the law of pollutant dispersion in the street canyon and its influence mechanism. Thereby, in this project I take the complex urban street environment composed of urban street spatial structure and dynamic traffic flow as a research object, based on the theories of Fluid Mechanics, Heat Transfer, and Built Environment, using wind tunnel experiments, field measurement and large-scale parallel computing accompanied by other technical means, carry out the following research: （1）to explore the pollutant dispersion law in the complex urban street environment under the conditions of environmental wind, the thermal effect of solar radiation, the vehicle movement induced wind, the vehicle exhaust emission impact jet; （2）to establish the mathematical model of multi-physical field coupling of air flow, heat transfer, and pollutant dispersion in complex urban street canyons by coupling the above mentioned factors; （3）to reveal the mechanism of the influencing factors on the pollution dispersion in the environment of different street canyons; and（4）to put forward the strategies of mitigating environmental air pollution in urban street. This project is expected to provide theoretical basis and practical guidance for the theory and control of air pollutant dispersion in complex urban street canyons.

城市高层建筑密集化和交通系统立体化使城市街谷环境日趋复杂，街谷内车辆尾气的污染物影响愈加显著。有效缓解空气污染对城市居民健康意义重大，但需要以认知街谷内污染物的传播规律及其影响机理为前提。基于此，本项目以由城市街谷空间结构和动态交通流构成的复杂城市街谷环境为研究对象，基于流体力学、传热学和建筑环境学的相关理论，采用风洞实验、现场实测及大规模并行计算等技术手段，开展如下研究：（1）探索环境风、太阳辐射热效应、车辆移动诱导风以及车辆尾气排放冲击射流等多因素耦合作用下，复杂城市街谷环境内的污染物传播规律；（2）建立上述多因素耦合作用下，复杂街谷内空气流动、传热和污染物传播的多物理量场耦合数学模型；（3）揭示不同城市街谷环境下，诸多影响因素对污染物传播的耦合作用机理；（4）提出缓解城市街谷环境空气污染的调控策略。本项目可望为复杂城市街谷环境大气污染物扩散理论及其管控提供理论基础与实践指导。

城市中建筑外环境空气污染是严重威胁人类生存健康的大问题。由于大气流动与建筑物之间的复杂相互作用，使得交通污染物的扩散规律、影响机理和评价理论一直是一个较为困难的科研主题。本项目研究了复杂城市交通体系内的污染物传播规律、典型街谷中车辆移动造成的真实影响、街谷-高架桥系统中的活性污染物发生化学反应后污染物扩散特性，以及交通污染物传播的评价理论。1. 以武汉市二环线某路段为实际案例，构建了一个包含下沉式公交站、高架桥、交通转盘及双洞交通隧道等多种典型几何特征的复杂立体交通体系。通过建立三维的数学物理模型，数值分析了污染物在该交通体系中不同环境风向和环境风速下的传播扩散特征。2. 提出了动网格模拟技术来直接描述机动车移动工况下污染物排放的动态过程，真实还原了路面和建筑物静止，环境空气流运动，机动车造成更强烈湍流运动的特征，构建了“城市街谷-移动车辆-尾气管”的污染物动态传播多尺度模拟方法。揭示了车辆自身因素包括车速、车距和机动车数量，外界环境因素包括环境风速、环境温度，以及车辆行驶方式等对街谷污染的影响规律，发现了车辆尾气扩散范围以及车辆移动诱导湍流的影响范围。3. 采用CFD数值模拟方法，在考虑活性污染物NO-NO2-O3光化学反应的同时，研究了城市街谷-高架桥系统对活性污染物扩散的影响，揭示了不同类型街谷-高架桥系统中流场结构和污染物扩散规律。4. 基于强化对流换热和强化对流传质场协同理论，将环境风掠过城市街谷与流体在两粗糙平板间的对流传质过程展开了比拟分析，发现了两过程的相似性，基于此，将强化传质场协同理论的适用范围从换热管等小尺度空间发展至城市街谷这种大尺度空间，验证了可以用该理论指导增强街谷内污染物的扩散，然后将此理论应用于不同城市街谷形态和两种街道交叉口的污染物扩散规律分析中。.在本项目支持下发表学术论文42篇(SCI论文35篇)，专利3件，学术专著1部，作为主要完成人获2020年国家自然科学二等奖、2019年湖北省自然科学一等奖，2020年中国产学研合作创新奖，成果应用于工程实践。研究成果2次写入IPCC年度报告，被3名诺贝尔奖得主在内的数十名国际顶尖专家引用。基于本项目科研成果支撑，主持了湖北省创新群体项目和国家重点研发计划国际合作项目各1项。