英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
不同城市形态的理想城市模型中的污染物扩散
文章信息
文章历史：
于2009年3月3日收到
于2009年8月18日以修订形式收到
于2009年8月24日接受
关键词： 城市形式 CFD模拟 污染物分散
摘要
在理想化城市模型中污染物分散的机理由数值研究在街道行人层面引入均匀分布的污染源。我们先学习三个短的城市形式，单一的主要街道或两条交叉街道，其特点是街道长度/街道L / H = 6或7的高度比，H / W = 1的街道高度/街道宽度比，包括锋利边缘圆形城市模式，圆滑的城市模型，以及尖锐的广场城市模式。对于短城模型与单一街道和平行接近的风，污染物稀释主要取决于水平流量在街上下降。对于平滑的减少率最小的是圆滑城市模式，导致街道浓度最低。对于两个城市模型穿越街道和平行于主要街道的接近风，整体城市形态的差异导致不同的扩散过程。对于一个具有两条十字路口的尖锐的圆形城市模型，接近风略微不平行于主街道产生一个较低的污染物浓度。我们还研究了一条尖锐的圆形城市模型，一条狭窄的街道（L /H = 6; H / W = 6.7），发现均匀分布的污染物从两条街道运输进入市中心，然后被排除在街道的屋顶上。与短城相比我们研究了一条单街尖边长方形城市模型（L / H = 21.7; H / W = 1）在远离两个条目的区域中水平流速保持几乎恒定。在这里区域横跨屋顶的湍流对污染物的去除贡献更大于垂直平均流量。
- 简介
个人暴露于室外释放的空气污染物城市空气环境可能直接在户外或通过室内空气污染物的传播建筑通风系统间接发生。正在进行的全球城市化进程以及街道网络车辆的污染物排放（Fenger，1999）呼吁更好地了解城市形态这一关系和城市污染物扩散。以前的研究已经涉及城市污染物的扩散中尺度或微尺度。 中尺度方法（Liu和张，2001; 丁和王，2004）通常认为一个城市大气边界层的粗糙结构。 它研究城市粗糙度，地形，气象条件的影响，对10-200公里规模的城市污染等，忽略了细节建筑规模和街道规模的污染物扩散。 另一方面，微量研究分析污染物的扩散性在二维街峡谷的隔离建筑物周围流动湍流模型（Sini等人，1996; Baik和Kim，2002; Xie等人，2005），以及在一组建筑阵列（MacDonald等人，1997; Sabatino等人，2007），重点是建筑规模上的扩散现象街道尺度。 Britter和Hanna（2003）和Belcher（2005）提供了两种方法的综合评论。介绍城市污染物扩散的第三种方法研究整个城市本身作为障碍的紧凑型城市接近风，同时提供途径风。城市街道网络污染物扩散主要取决于风况 - 反过来依赖于风对城市形态特征如整体城市形态，建筑面积密度和街道配置等-和污染源特征。对于这些我们假设均匀分布的由车辆产生的污染物排放在街道水平进行模拟。大多数以前的调查员执行理想化城市型污染物扩散研究矩形建筑阵列（Chang和Meroney，2003）或正方形建筑阵列（MacDonald et al。，1997; Kim and Baik，2004;Sabatino等，2007），建筑面积密度不同的长宽比等。城市污染物扩散研究使用第三种方法是罕见的。不过有些调查人员有使用这种方法研究城市风况。Skote等人（2005）定性地研究了一个城市中有一两条街道的圆形紧凑型的流动模式。 杭等人 （2009）探讨了流动在锋利的圆形，锋利的方形，锋利的长矩形中一条街道或两条十字路口的城市模型，使用两个风洞实验和计算流体动力学（CFD）模拟，并定量地通过街道开放和街道屋顶分析流量。 他们发现整体城市形态和即将到来的风向影响城市模式的风况。在这里我们研究的城市形态对类似理想化城市的污染物扩散模型，并研究另一个整体城市形式（即平滑边缘）圆形城市模型，假定建筑高度可能从郊区地区平稳增长接近城市边界的市中心。从简单开始，我们首先研究城市污染物的扩散模型是一条街道或两条十字路口。
- 方法
2.1. 城市模型的模型描述
城市模型的形态如图1所示。 所有模型的高度相同：H = 0.069米。为了简洁，城市模式（即尖锐的圆形城市，平滑的圆形城市，尖锐的方形城市和尖锐的长方形城市）将被简单地确定为圆形，光滑，方形和长城市模型。圆形，方形和平滑的城市模型被平均分为两个或四个统一部分街道（纵横比，H / W = 1; L / H = 6）或两个垂直交叉街道（主要和次要街道; H / W = 1; L / H = 7）。平滑城市模型的边界圆弧形状平滑。它们与尖锐的不同，具有均匀高度边界的模型。一个圆形城市模型有一条狭窄的街道（H / W = 6.67; L / H = 6）和一个长城市模型（H / W = 1; L / H = 21.7）。接近的风是与上述城市模型的主要街道平行。对于具有两条十字路口的圆形城市模型，我们还将主要风向设为15，30或45的角度。因此，共研究了11个测试方案。每个测试方案这里将被确定为“形状[街道数，相对街道数长度（L / H），纵横比（H / W），风向]”。例如，圆形[1，6，1，0]是指一条有一条街道的圆城市的测试方案，相对街道长度（L / H）为6，纵横比（H / W）为1和风方向为0（即接近的风平行于主街道中心线）。其他10个测试方案为圆形[1,6,6.7,0]，圆形[2,7,1,0]，圆形[2,7,1,15]，圆形[2,7,1,30]，圆形[2,7,1,45]，方形 [1,6,10,0]，方形 [2，7，1，0]，平滑 [1,6，1，0]，平滑[2,7,1,0]和长形[1,21.7,1,0]。为了简单的描述污染物扩散，我们定义有两个十字路口的四个街道开放，四条街道和四个街道屋顶的城市模型。
2.2. 数值模拟
CFD软件Fluent 6.2与标准k-3（Launder和湍流模型被用于解决稳定湍流和污染物浓度场。计算所使用的域在横向（y）方向为30H宽，垂直（z）方向为15H高。在流动方向（x）上，城市模型的迎风边缘位于26H上游域入口，背风边缘在49H处下游域出口，当风向平行主要街道时我们假设城市对称流动条件模型。速度湍流垂直剖面和湍流强度（I）在风洞的上游自由流（见图2a）中测量研究（Hang et al。，2009）提供边界条件域入口（湍流动能k = 1.5（Iu）2及其耗散率3frac14;Cm3 / 4k3 / 2 / l，其中Cm是常数（frac14;0.09），l是湍流特征长度尺度）。防滑墙边界条件在所有固体表面使用标准壁功能。零正常所有边界变量的梯度都用于所有其他变量边界。除了以外的所有情况都产生六面体细胞城市模式平滑。每个测试方案中的网格号之间一半和一百万个细胞，在实心墙附近有细网格和远离城市模型的粗网格。除了圆形 [1，6，6.7，0]是更细的网格在狭窄的街道，最小的网格大小，其他方案为0.03H。街道行人水平定义为从街道地面以上0到0.13H。杭等人（2009）的数值结果比较并对大多数测试方案详细讨论了风洞数据。使用压力分布的城市模型在风洞楼层400度测量，水平测量沿街速度和湍流强度分布中心线在行人一级。在附录A2中，我们显示速度和湍流强度验证轮廓的一个方案为平滑[1,6，1，0]。同样地，Hang等人（2009）发现大多数地区的强度略低于预期街上的速度分布预测相对较好。为了模拟车辆的污染物排放，我们定义了一个统一的分散污染源于街上0〜0.03H地面水平，释放强度小（10-5 kg m31）。污染物运输由时间平均对流建模扩散方程：
其中c是污染物平滑时间平均浓度（kg m3），uj是时间平均速度分量j，xj是坐标（j = 1,2,3），Kc = nt = Sct为污染物运动学粘度nt是动量的运动学涡流粘度，Sct是施密特的动荡数字，根据Sabatino等人 （2007）和Riddle等人（2004年）推荐，这个数字是0.7。
2.3. 污染物扩散的一些概念的定义
在街道网内，沿着街道流动稀释了污染物。为了使流量正常化我们定义了接近风是平行于街道中心线。通过对应于街道开放区域的区域AO参考作为远离上游的流量的体积流量（QN），如：
因此，归一化流速根据该参考文献定义流量，如：
其中u是流速，uN是那个远的上游。另外，距离Li 1和Li之间的空间平均流量从街道向上入口被定义为：
为了量化污染物扩散过程，我们进行了计算街道开放和街道上的标准化污染物通量平均流量。 由于湍流速度波动有向上和向下的污染物运输横跨街道的屋顶，一般浓度在街道比街外的外部流动还要高，湍流交换通常有助于去除污染物。我们定义了归一化的湍流净通量（Ft）横跨街道的屋顶和街道开放，渐变扩散运输关系式（6）。
其中V！ 是速度矢量，n！ （或n）是正常的单位向量街道开放或街道屋顶，M（kg s1）是总质量释放街道地面附近污染源的比例（z从0到0.03H），这取决于街道地面的面积街道污染源量。归一化浓度eth;c*THORN;定义为：
其中c *是归一化浓度，QN是参考流量取决于迎风街道的面积开幕。然后我们定义了污染物的正常运输率街道开放和街道屋顶由于平均流量eth;FA*mTHORN;和由于紊流eth;FA*：
其中A是街道开放区域或街道屋顶。在等式（5）-（9）中，污染物总质量释放率源eth;M_THORN;在不同的测试方案中有所不同污染源变化。我们把所有的测试用例分成两部分小组：单街道城市模式组1（圆形[1,6,6.7,0]，圆形[1，6，1，0]，方形[1，6，1，0]，平滑[1,6，1，0]）和组2对于双街道城市模式（圆形 [2，7，1，0]，圆形 [2，7，1，15]，圆形 [2,7,1,30] 圆形 [2,7,1,45]，方形 [2,7,1,0]，平滑[2，7，1，0]）。 我们使用实际总质量释放率污染物：M在每个测试方案中进行计算。所有上述测试案例的污染源排放率都可以自己归一化eth;i：e：M_ = M_frac14;1：0THORN;。 具体来说，长形模型（ [1，21.7，1，0]）中，我们使用了相同的值的：M为方形 [1,6，1，0]，以便比较在污染物累积和污染物去除的长形和方形城市模特的差异。 所以归一化的源码释放率在长形模型是3.61（即（21.74H）/（6H）= 3.61）。 比较归一化浓度和标准化同一组污染物运输率这是有意义的。 污染物总量运输费率eth;FA*m和FA *所有街道开放和街道屋顶应等于源所规定的污染物排放标准到质量平衡，除了微观局部归一化浓度（c *）每个城市模式点，我们也研究了宏观浓度（即空间平均或体积浓度）选定控制卷。 对于具有平行的城市模型接近风，我们将主街分为几个控制沿着流动方向（x）方向的体积。 对于两条十字路口（主要街道和二级街道）的城市模型，我们将整个街道容积分成五个控制体积（即街道1至街道4，市中心，见图。1）。 我们计算了这些对照中每一个的归一化空间平均浓度卷：
其中vol是整个街道高度的控制体积（z从0到H）或只有街道附近的行人距离地面水平（z从0到0.13H）。
- 结果与讨论
3.1. 城市总体形式对污染物扩散的影响
在圆形[1，6，1，0]，平滑[1，6，1，0]，方形[1，6，1，0]和长形 [1，21.7,1,0]，只有一条街（H / W = 1）平行接近的风的单街道城市模型中，图.3a-c显示了流线三个短城模式。图。 3d-f显示宏观变化的标准化水平流速和浓度街道在四个城市模型。我们发现归一化流量所有四个城市渗透到迎风入境中几乎是一个模型。此后，水平流量沿着街道因为一些气流沿向上的方向离开了街道横跨屋顶。对于三个短城模型，光滑城市模式中的集中度最低（图3d和e）因为它维持最大的水平流速。这是因为它的向上流畅的方式减少了靠近的向上流动迎风街道入口。对于流量和集中度在圆形和方形城市街道模式中，只有很小的差异存在于背风入口附近（x / H从4到6），对于长城模型（L = 21.7H），沿街存在污染物积聚，导致高位下游浓度。此外，污染物浓度在行人级（z从0到0.13H）超过整个街道高度（z从0到H）。见图。 3e和f。然后我们在圆形，方形和长城模型中研究了污染物去除的机制。图。 4显示了大小由垂直平均流量（Fm）和湍流引起的污染物通量交通（Ft）横跨方形和长城的街道屋顶模型。在图4a和c，我们发现街上的动荡屋顶总是从街上去除污染物（即通量保持不变负面或零街对面的屋顶）。在图4b和d，由于向上运动，垂直平均流量去除上游区域的污染物（即证明）由负向通量值）。然而，由于向下运动，平均流量将污染物运送到靠近背风的街道。特别是在长城模式下，垂直平均流量比他们去除更多的污染物，在背风街道入口附近重新进入。表1显示了通过两个开口和街道的屋顶在长形，方形和圆城模型中归一化的污染物运输率。归一化的源释放速率为1.0短城模型和3.61长城模式。显然，大多数的污染物通过背风从街上除去开放（即长，方，圆的3.14，0.97和0.98城市模式）。在短方形和圆城模拟街道屋顶上的污染物通量对总污染物的去除没有贡献。在长城模式中，湍流在街道的屋顶上除去了相当多的污染物（即3.71的3.61）。然而，垂直平均流量将一小部分thorn;0.25运送到街道，只能移除0.03的分数。所有污染物运输率的总和通过所有开口和整个街道屋顶（即3.62，0.99，1.01）近似等于归一化的源释放（即3.61，1.00，1.00）为长形，方形和圆形的城市模型，表明质量平衡的误差很小，从而导致舍入和数字错误。以上分析表明，对于城市模型考虑和平行接近的风，沿着水平流量街道是污染物稀释的最重要因素。然而，如果街道很长，湍流横跨街道屋顶也可大大有助于污染物去除。
3.2。 纵横比对单街城市模型污染物扩散的影响
图。 5a和b表明，对于一个具有非常狭窄的街道的圆城市模型（即H / W = 6.7，对于圆形 [1,6,6.7,0]），并行接近风吹遍整个街道
全文共11797字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[145892]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
